В конусе лежит шарик. Конус начинают вращать с угловой скоростью 5 рад/с. На каком расстоянии от вершины конуса будет находиться шарик в состоянии равновесия? Угол между поверхностью конуса и осью симметрии а = 45°.
от

1 Ответ

Дано:
- Угловая скорость ω = 5 рад/с
- Угол между поверхностью конуса и осью симметрии α = 45°

Найти: расстояние от вершины конуса до шарика, обозначим его h.

Решение:

Сначала определим радиус окружности, по которой будет двигаться шарик, на высоте h. Обозначим радиус этой окружности как r.

Для конуса с углом α, связь между высотой h и радиусом r можно выразить через тангенс угла:

tan(α) = r / h.

Так как угол α равен 45°, то tan(45°) = 1. Это приводит к равенству:

r = h.

Теперь вычислим центробежное ускорение, действующее на шарик:

a_c = ω^2 * r.

Поскольку шарик находится в равновесии, суммарные силы (центробежная сила и сила тяжести) должны быть уравновешены. Сила тяжести F_g и центробежная сила F_c направлены в разные стороны:

F_c = m * a_c = m * (ω^2 * r),
F_g = m * g,

где m - масса шарика, a_c - центробежное ускорение, g - ускорение свободного падения, примерно равное 9.81 м/с².

Соотношение сил в состоянии равновесия можно записать так:

F_c = F_g * sin(α).

Подставляем выражения для сил:

m * (ω^2 * r) = m * g * sin(α).

Упрощаем уравнение (m сокращается):

ω^2 * r = g * sin(α).

Подставляем значения:

5^2 * r = 9.81 * sin(45°).

Так как sin(45°) = √2 / 2 ≈ 0.7071, получаем:

25 * r = 9.81 * 0.7071.

Теперь решим уравнение для нахождения r:

r = (9.81 * 0.7071) / 25,
r ≈ 0.277 м.

Теперь помним, что r = h, поэтому:

h = r = 0.277 м.

Ответ: Шарик будет находиться на расстоянии примерно 0.277 м от вершины конуса в состоянии равновесия.
от