Задачи по динамике. Задача Д340

Задача. К краю круглой платформы радиусом $R=0,2$ м прикрепили на нити длиной $l=0,3$ м шарик (см. рис.). С какой угловой скоростью нужно вращать платформу, чтобы нить с осью платформы составляла угол $\alpha =30^{\circ}$?

Решение. При решении задачи будем пользоваться алгоритмом решения задач по динамике.

1. Систему отсчета свяжем с Землей, такая система отсчета является инерциальной.

2. Выполним чертеж с указанием всех сил, действующих на тело.

3. Запишем второй закон Ньютона в векторном виде

$m\vec{g}+\vec{T}=m \vec{a}_n$.

В проекциях на ось $x$

$T\, sin\, \alpha =ma_n$.                                                           (1)

В проекциях на ось $y$

$T\, cos\, \alpha -mg=0$.                                                     (2)

4. Сил, модули которых выражаются известными формулами нет. Пропускаем этот пункт.

5. Выразим модуль центростремительного ускорения через интересующие нас величины

$a_{n}=\omega ^2r$.

Радиус окружности $r$, по которой движется тело будет включать в себя не только расстояние $d$ на которое груз отклоняется от вертикали, но и расстояние $R$ (для лучшего понимания этого момента взгляните на чертеж с силами). Расстояние $d$ можно найти через синус угла $\alpha$

$\frac{d}{l}=sin\, \alpha \Rightarrow d=l\, sin\, \alpha$.

Значит, модуль центростремительного ускорения можно переписать так

$a_{n}=\omega ^2(R+l\, sin\, \alpha)$.

6. Из уравнения (2) находим модуль силы натяжения

$T\,cos\, \alpha =mg$,

$T=\frac{mg}{cos\, \alpha}$.

Подставляем это выражение и выражение, полученное в пункте 5, в уравнение 1

$\frac{mg}{cos\, \alpha} \cdot sin\, \alpha =m \cdot \omega ^2(R+l\, sin\, \alpha)$,

$g\, tg\, \alpha = \omega ^2(R+l\, sin\, \alpha)$,

$\omega ^2= \frac{g\, tg\, \alpha }{R+l\, sin\, \alpha}$,

$\omega= \sqrt{\frac{g\, tg\, \alpha }{R+l\, sin\, \alpha}}$,

$\omega= \sqrt{\frac{10 \cdot \frac{\sqrt{3}}{3}}{0,2+0,3 \cdot 0,5}}\approx 4$ рад/с.

Ответ: $\approx 4$ рад/с.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *