Нижний конец лёгкого стержня закреплён в шарнире и может поворачиваться в нём без трения (рис. 22.11). Верхний конец стержня соединён тросом со стеной. Трос расположен горизонтально. Груз массой m = 20 кг подвешен к верхнему концу стержня. Трением в шарнире можно пренебречь. Угол между стержнем и вертикалью α = 60°.
а) Чему равна по модулю сила, действующая со стороны стержня на шарнир?
б) Направлена ли эта сила вдоль стержня?
от

1 Ответ

дано:  
Масса груза, m = 20 кг  
Ускорение свободного падения, g = 9.81 м/с²  
Угол между стержнем и вертикалью, α = 60°  

найти:  
а) Модуль силы, действующей со стороны стержня на шарнир.  
б) Направление этой силы.

решение:

а) Сначала найдем силу тяжести, действующую на подвешенный груз:
F_g = m * g = 20 кг * 9.81 м/с² = 196.2 Н.

Теперь необходимо определить компоненты сил, действующих на стержень. Сила натяжения троса (T) и сила тяжести (F_g) будут влиять на стержень.

Рассмотрим равновесие в вертикальном и горизонтальном направлениях:

1. В вертикальной проекции:
T * sin(α) = F_g
где T – сила натяжения троса.

Подставляем значения:
T * sin(60°) = 196.2 Н  
T * √3 / 2 = 196.2 Н  
T = 196.2 Н / (√3 / 2)  
T ≈ 226.1 Н.

2. В горизонтальной проекции:
N - T * cos(α) = 0,
где N – нормальная сила, действующая на шарнир.

Следовательно:
N = T * cos(60°)  
N = 226.1 Н * (1/2)  
N ≈ 113.05 Н.

Теперь найдём результирующую силу, действующую на шарнир:
R = √(N² + F_g²).

Теперь подставим известные значения:
R = √(113.05² + 196.2²)  
R = √(12758.2 + 38494.24)  
R = √51252.44  
R ≈ 226.2 Н.

б) Чтобы понять направление этой силы, нужно оценить её составляющие. Мы получили, что R имеет две составляющие: одну вертикальную (равную весу груза) и одну горизонтальную (нормальная сила). Поскольку трос горизонтальный, а угол α наклонен в сторону от вертикали, то результирующая сила не может быть направлена вдоль стержня.

ответ:  
а) Модуль силы, действующей со стороны стержня на шарнир, R ≈ 226.2 Н.  
б) Эта сила не направлена вдоль стержня, она направлена под углом к стержню.
от