Брусок массой m, лежащий на горизонтальной плоскости, соединён с вертикальной стеной недеформированной горизонтальной пружиной жёсткостью k (рис. 34.12). Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен u. Какую минимальную скорость надо сообщить бруску вдоль пружины, чтобы он вернулся в начальную точку?
от

1 Ответ

Дано:
- масса бруска m
- жёсткость пружины k
- коэффициент трения u

Найти:
Минимальную скорость v_0, которую нужно сообщить бруску вдоль пружины, чтобы он вернулся в начальную точку.

Решение:

1. При смещении бруска на расстояние x от начального положения происходит потенциальная энергия в пружине и работа сил трения.

2. Потенциальная энергия пружины при сжатии или растяжении на расстояние x:

   PE_p = (1/2) * k * x².

3. Сила трения, действующая на брусок, равна:

   F_tr = u * N,
   
где N - нормальная сила, которая для горизонтального движения равна mg. То есть:

   F_tr = u * m * g.

4. Работа силы трения при смещении бруска на расстояние x:

   A_tr = F_tr * x = u * m * g * x.

5. В момент, когда брусок возвращается в начальную точку, вся кинетическая энергия, которую он имел изначально, должна быть равна работе против силы трения плюс потенциальной энергии в пружине:

   (1/2) * m * v_0² = A_tr + PE_p.

6. Подставим значения:

   (1/2) * m * v_0² = u * m * g * x + (1/2) * k * x².

7. Упростим уравнение, сократив массу bруска:

   (1/2) * v_0² = u * g * x + (1/2) * (k/m) * x².

8. Теперь выразим минимальную скорость v_0:

   v_0² = 2 * (u * g * x + (1/2) * (k/m) * x²),
   
   v_0 = sqrt(2 * (u * g * x + (1/2) * (k/m) * x²)).

Ответ:
Минимальная скорость, которую надо сообщить бруску вдоль пружины, равна sqrt(2 * (u * g * x + (1/2) * (k/m) * x²)).
от