Задача 47. Небольшой шарик массы m, подвешенный на нити, отвели в сторону так, что нить образовала прямой угол с вертикалью, а затем отпустили (рис.32). Найти: 1) полное ускорение шарика и натяжение нити в зависимости от угла отклонения нити φ от вертикали; 2) угол φ между нитью и вертикалью в момент, когда вектор полного ускорения направлен горизонтально.
Рис.32
Решение. Шарик движется по окружности под действием постоянной силы тяжести, равной mg, и под действием переменной, зависящей от угла φ силы натяжения нити T.
Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:
m→a=m→g+→T.
В данной задаче целесообразно векторное уравнение проектировать на тангенциальное и нормальное направления:
n: man=T−mgcosφ, (1)
τ: maτ=mgsinφ. (2)
Поскольку обе составляющие ускорения зависят от угла φ, необходимо выразить их через угловые величины:
an=ω2R,
aτ=εR=−Rdωdφdφdt=−Rωdωdφ.
(Знак “минус” связан с уменьшением угловой скорости ω при увеличении угла φ).
Решение уравнения (2) позволяет определить зависимость угловой скорости от угла. Подставляя aτ в (2), приходим к дифференциальному уравнению, содержащему две разделяющиеся переменные ω и φ:
−mRωdωdφ=mgsinφ.
Разделяя переменные и интегрируя от ω0=0 до ω и от φ0=π/2 до φ,
ω∫0ωdω=−gRφ∫π/2sinφdφ,
получаем ω22=gRcosφ, откуда выражаем зависимость угловой скорости от угла
ω=√2gRcosφ.
Подставляя нормальное ускорение an=ω2R=2g∙cosφ в формулу (1),
T=man+mg∙cosφ=2mg∙cosφ+mg∙cosφ,
находим натяжение нити в зависимости от угла φ:
T=3mg∙cosφ.
Подставляя выражения для нормального и тангенциального ускорений an=2g∙cosφ и aτ=g∙sinφ в формулу a=√a2n+a2τ, получаем величину полного ускорения
a=g√3cos2φ+1.
Теперь ответим на второй вопрос задачи (рис.33). Вектор полного ускорения a направлен горизонтально при условии, что его составляющие связаны соотношением an/aτ=tgφ. Подстановка в это выражение an=2g∙cosφ и aτ=g∙sinφ приводит к условию 2g∙cosφg∙sinφ=tgφ, то есть tg2φ=2.
Рис.33
Следовательно, вектор полного ускорения направлен горизонтально, если нить, на которой подвешен шарик, составляет с вертикалью угол, равный
φ=arctg√2.