Задача 47. Небольшой шарик массы m, подвешенный на нити, отвели в сторону так, что нить образовала прямой угол с вертикалью, а затем отпустили

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.

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

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:

ma=mg+T.

В данной задаче целесообразно векторное уравнение проектировать на тангенциальное и нормальное направления:

n:    man=Tmgcosφ,                   (1)

τ:    maτ=mgsinφ.                            (2)

Поскольку обе составляющие ускорения зависят от угла φ, необходимо выразить их через угловые величины:

an=ω2R,

aτ=εR=Rdωdφ..dφdt..=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,

ω0ωdω=gR..φπ/2sinφdφ,

получаем ω22..=gR..cosφ, откуда выражаем зависимость угловой скорости от угла

ω=2gR..cosφ.

Подставляя нормальное ускорение an=ω2R=2gcosφ в формулу (1),

T=man+mgcosφ=2mgcosφ+mgcosφ,

находим натяжение нити в зависимости от угла φ:

T=3mgcosφ.

Подставляя выражения для нормального и тангенциального ускорений an=2g∙cosφ и aτ=g∙sinφ в формулу a=a2n+a2τ, получаем величину полного ускорения

a=g3cos2φ+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 2gcosφgsinφ..=tgφ, то есть tg2φ=2.

Задача 47. Небольшой шарик массы m, подвешенный на нити, отвели в сторону так, что нить образовала прямой угол с вертикалью, а затем отпустили.......

Рис.33

Следовательно, вектор полного ускорения направлен горизонтально, если нить, на которой подвешен шарик, составляет с вертикалью угол, равный

φ=arctg2.

Оцените
Добавить комментарий