Небольшая шайба равномерно движется по окружности внутри гладкой полусферы радиусом 30 см. Чему равна скорость шайбы, если она всё время остаётся на высоте 15 см от нижней точки полусферы? Чему равен период обращения шайбы?
от

1 Ответ

Дано: R = 30 см = 0.3 м h = 15 см = 0.15 м g = 9.8 м/с^2

Найти: v - скорость шайбы T - период обращения шайбы

Решение:

На шайбу действуют две силы: сила тяжести mg и сила реакции опоры N со стороны поверхности полусферы. Сила реакции опоры направлена по нормали к поверхности полусферы.

Проекция силы тяжести на радиус полусферы равна mg * sin(θ), где θ - угол между радиусом и вертикалью.

Проекция силы реакции опоры на радиус полусферы равна N * cos(θ).

Центростремительная сила равна m * v^2 / R.

Из условия равновесия сил в радиальном направлении, мы получаем:

N * cos(θ) = mg * sin(θ) + m * v^2 / R

Из прямоугольного треугольника, образованного центром полусферы, точкой касания шайбы и высотой h, мы можем найти sin(θ):

sin(θ) = h / R = 0.15 м / 0.3 м = 0.5

Поскольку шайба движется по окружности, то Ncos(θ) = mgcos(θ). Таким образом, из уравнения сил имеем:

mg * sin(θ) = m * v^2/R v^2 = g * R * sin(θ) = 9.8 м/с^2 * 0.3 м * 0.5 = 1.47 м^2/с^2 v = √1.47 м^2/с^2 = 1.21 м/с

Чтобы найти период обращения, необходимо воспользоваться формулой для периода обращения по окружности: T = 2πR / v = 2 * π * 0.3 м / 1.21 м/с ≈ 1.56 с

Ответ: v ≈ 1.21 м/с T ≈ 1.56 с
от