При малых колебаниях математического маятника длиной 1 м максимальная скорость движения груза 0,8 м/с. Найдите скорость груза в момент, когда косинус угла отклонения маятника от вертикали равен 0,986.
от

1 Ответ

Дано:  
Длина маятника L = 1 м  
Максимальная скорость Vmax = 0,8 м/с  
cos(θ) = 0,986  

Найти:  
Скорость груза V в момент, когда cos(θ) = 0,986.

Решение:  

1. Находим максимальную потенциальную энергию (Epmax) и максимальную кинетическую энергию (Ekmax) маятника. В максимальной точке отклонения маятник имеет только потенциальную энергию, которая равна максимальной кинетической энергии в момент, когда маятник проходит вертикальное положение.

Ekmax = (1/2) * m * Vmax^2,  
где m - масса груза.  

2. Потенциальная энергия в максимальной точке отклонения (Epmax) может быть выражена через высоту h, которую груз поднимается:

Epmax = m * g * h,  
где g = 9,81 м/с^2 - ускорение свободного падения.

3. Высоту h можно найти через длину маятника и угол отклонения:

h = L * (1 - cos(θ)).  

4. Подставим значения:

h = 1 * (1 - 0,986) = 1 * 0,014 = 0,014 м.  

5. Теперь подставим h в формулу для потенциальной энергии:

Epmax = m * 9,81 * 0,014.  

6. В момент максимальной скорости кинетическая энергия равна потенциальной энергии:

(1/2) * m * Vmax^2 = m * g * h.  

7. Упрощаем уравнение, так как масса m сокращается:

(1/2) * Vmax^2 = g * h.

8. Теперь найдем скорость V при заданном косинусе угла отклонения, используя закон сохранения механической энергии:

Ek = Epmax - Ep,  
где Ep - потенциальная энергия при текущем угле отклонения.

9. Потенциальная энергия при текущем угле:

Ep = m * g * h = m * g * L * (1 - cos(θ)).

10. Подставим h:

Ep = m * 9,81 * 1 * (1 - 0,986) = m * 9,81 * 1 * 0,014 = 0,13734m.  

11. Теперь подставим в закон сохранения энергии:

Ek = Ekmax - Ep = (1/2) * m * Vmax^2 - m * g * h.

12. Подставим значение Ek:

(1/2) * m * V^2 = (1/2) * m * (0,8)^2 - 0,13734m.  

13. Упрощаем уравнение:

(1/2) * V^2 = (1/2) * (0,64) - 0,13734.  

14. Умножаем на 2:

V^2 = 0,64 - 0,27468 = 0,36532.  

15. Теперь находим V:

V = √0,36532 ≈ 0,603 м/с.  

Ответ: скорость груза в момент, когда косинус угла отклонения маятника равен 0,986, составляет приблизительно 0,603 м/с.
от