Наклонная плоскость с углом наклона α = 30° и длиной 1 м в точке В плавно переходит в вертикально расположенный обруч радиусом r = 30 см (рис. 19.14). Какую минимальную скорость надо сообщить шайбе, находящейся в нижней точке наклонной плоскости, чтобы она оторвалась от опоры в точке В? Коэффициент трения между шайбой и плоскостью равен 0,2.
от

1 Ответ

дано:
- угол наклона α = 30°
- длина наклонной плоскости L = 1 м
- радиус обруча r = 0,3 м (30 см)
- коэффициент трения μ = 0,2
- ускорение свободного падения g = 9,81 м/с²

найти:
- минимальную скорость v0, необходимую для отрыва шайбы в точке В.

решение:

1. силы, действующие на шайбу:
   На шайбу действуют три силы:
   - вес mg
   - нормальная сила N
   - сила трения F_t = μN

2. определение нормальной силы N:
   Нормальная сила N будет равна компоненте веса, перпендикулярной к наклонной плоскости:
   N = mg * cos(α).

3. определение силы трения:
   Сила трения направлена вверх по наклонной плоскости:
   F_t = μN = μmg * cos(α).

4. уравнение движения вдоль наклонной плоскости:
   Сумма сил, действующих вдоль плоскости, равна произведению массы на ускорение:
   m * a = mg * sin(α) - F_t.
   Подставим силу трения:
   m * a = mg * sin(α) - μmg * cos(α).

   Упрощая это уравнение, получаем:
   a = g * (sin(α) - μcos(α)).

5. вычисление ускорения:
   Подставим значения:
   α = 30° → sin(30°) = 0,5 и cos(30°) ≈ 0,866.
   a = 9,81 * (0,5 - 0,2 * 0,866)
   = 9,81 * (0,5 - 0,1732)
   = 9,81 * 0,3268
   ≈ 3,21 м/с².

6. выход на вертикальный обруч:
   Для того чтобы шайба оторвалась от плоскости в точке B, необходимо, чтобы центростремительное ускорение в точке B было равно g - a, где g - ускорение свободного падения:
   a_c = v^2 / r,
   где v - скорость в момент отрыва.

   Условие отрыва:
   v^2 / r = g - a.

   Подставим выражения:
   v^2 = (g - a) * r
   = (9,81 - 3,21) * 0,3
   = 6,6 * 0,3
   = 1,98.

   Найдем скорость v:
   v = √1,98 ≈ 1,41 м/с.

7. найдем начальную скорость v0 на плоскости:
   Используем закон сохранения энергии. Начальная кинетическая энергия превращается в потенциальную и работу против трения:

   (1/2) * m * v0² = m * g * h + F_t * L,
   где h - высота подъема шайбы на наклонной плоскости.

   Высота h можно найти через длину плоскости:
   h = L * sin(α) = 1 * sin(30°) = 1 * 0,5 = 0,5 м.

   Работа против трения:
   F_t = μmg * cos(α) * L
   = 0,2 * mg * 0,866 * 1
   = 0,1732 * mg.

   Подставляем в уравнение:
   (1/2) * m * v0² = mg * 0,5 + 0,1732 * mg
   = mg * (0,5 + 0,1732)
   = mg * 0,6732.

   Упростим уравнение:
   (1/2) * v0² = g * 0,6732
   => v0² = 2 * g * 0,6732
   => v0² = 2 * 9,81 * 0,6732
   ≈ 13,22.

   Теперь найдём v0:
   v0 = √13,22 ≈ 3,64 м/с.

ответ: минимальная скорость v0 ≈ 3,64 м/с.
от