Динамика и кинематика движения по окружности: Часть 1

Физика, 9 класс

Динамика и кинематика движения по окружности

Задача 1

Условие

На гладкое проволочное кольцо радиуса R , расположенное вертикально, надета маленькая бусинка. Кольцо вращается с угловой скоростью \omega вокруг вертикальной оси, проходящей по диаметру кольца. Где находится бусинка?

Решение

Найдём радиус окружности, по которой движется бусинка. Если угол отклонения отрезка, соединяющего бусинку с центром кольца, от вертикали равен \alpha , тогда радиус окружности r = R \sin \alpha.

Запишем второй закон Ньютона на радиальную и вертикальную оси для бусинки:

\begin{cases}

m a_n = N \sin \alpha \\

mg = N \cos \alpha

\end{cases} учитывая кинематическую формулу

a_n = \omega^2 r, получаем

\cos \alpha = \frac{g}{\omega^2 R}. Очевидно, что \cos \alpha \leq 1, в случае, если \omega^2 R < g, тогда бусинка просто опускается в нижнее положение равновесия и остаётся там.

3c.1

Ответ бусинка просто опускается в нижнее положение равновесия и остаётся там.

Задача 2

Условие

Груз массой m прикреплён к стержню длиной l . Другой конец стержня шарнирно прикреплён к вертикальной оси. Нарисуйте примерный график зависимости косинуса угла \alpha , образуемого стержнем с вертикалью, от угловой скорости \omega вращения оси.

Решение

Из предыдущей задачи

\cos \alpha = \frac{g}{\omega^2 R}. 3c.2

Нарисуем график. Впервые угол \alpha станет отличаться от 0, когда выражение g/(\omega^2 R) станет равным 1:

3c.3

Ответ см. рисунок.

Задача 3

Условие

K вертикальной оси привязана нить длиной 2 l , на конце и в середине которой прикреплены одинаковые шарики. Ось приводят во вращение. При каком значении угловой скорости участки O A и A B начнут отклоняться от вертикали? Каким будет отношение малых углов отклонения участков нити O A и A B от вертикали?

Решение

Запишем радиусы окружностей первого (верхнего) и второго (нижнего) груза:

\begin{cases}

r_1 = l \sin \alpha, \\

r_2 = l (\sin \alpha + \sin \beta).

\end{cases} Запишем второй закон Ньютона для обоих грузов на радиальную и вертикальную оси:

\begin{cases}

T_1 \cos \alpha = mg + T \cos \beta, \\

T \cos \beta = mg, \\

T_1 \sin \alpha - T \sin \beta = m \omega^2 r_1 = m \omega^2 l \sin \alpha, \\

T \sin \beta = m \omega^2 r_2 = m \omega^2 l (\sin \alpha + \sin \beta).

\end{cases} Выражая T и T_1 :

\begin{cases}

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

2g tg \alpha - g tg \beta = \omega^2 l \sin \alpha.

\end{cases} Если углы малы, то tg \alpha \approx \sin \alpha \approx \alpha, \ tg \beta \approx \sin \beta \approx \beta.

\begin{cases}

(g - \omega^2 l) \beta = \omega^2 l \alpha, \\

(2g - \omega^2 l) \alpha = g \beta.

\end{cases} Откуда

\frac{\alpha}{\beta} = \frac{g}{\omega^2 l} - 1. Получаем:

\frac{g - \omega^2 l}{\omega^2 l} = \frac{g}{2g - \omega^2 l}, откуда

g \omega^2 l = 2g^2 - 3 \omega^2 l g + \omega^4 l^2 \ \Rightarrow \ \omega_{1, 2} = \sqrt{\frac{g}{l}(2 \pm \sqrt{2})}. Так как мы рассматривали малые углы, получили \omega для малого отклонения от вертикали (когда только начали отрываться от вертикали).

3c.4

Ответ \omega_{1, 2} = \sqrt{\frac{g}{l}(2 \pm \sqrt{2})} ; \frac{\alpha}{\beta} = \frac{g}{\omega^2 l} - 1.

Открыть урок на ВОЛНА