Связь кинематики и динамики.: Часть 2
Физика, 9 класс
Задача 9. Условие 1. Ракета стартует с обрыва и движется горизонтально с постоянным ускорением a . Под каким углом к горизонту направлена реактивная струя? 2. Ракета массы m поднимается прямолинейно с...
Задача 9.
Условие
1. Ракета стартует с обрыва и движется горизонтально с постоянным ускорением a . Под каким углом к горизонту направлена реактивная струя?
2. Ракета массы m поднимается прямолинейно с ускорением a под углом \alpha к горизонту. Определить силу тяги двигателей ракеты.
Решение.
Будем решать задачу в инерциальной системе отсчета, связанной с Землей. Ракету будем считать материальной точкой, поэтому применим второй закон Ньютона
\vec{F}_\Sigma = m\cdot \vec{a}.
Рассмотрим первый случай.
image.png Сила реактивной тяги \vec{F}_p направлена таким образом, чтобы геометрическая сумма \vec{F}_p и силы тяжести равно m \vec{a} :
\vec{F}_p +m \vec{g} = m \vec{a}.
Найдем модуль вектора реактивной силы тяги из векторного треугольника сил:
\left| \vec{F}_p \right| = \sqrt{\left( mg \right) ^2+\left( ma \right) ^2} = m \sqrt{g^2+a^2}.
Выясним направление реактивной силы тяги. Найдем угол \beta , который сила \vec{F}_p составляет с горизонтом:
\tg \beta = \frac{mg}{ma} = \frac{g}{a}.
Рассмотрим второй случай: ускорение \vec{a} направлено под углом \alpha к горизонту. Аналогично предыдущему случаю, ускорение сонаправлено равнодействующей сил реактивной тяги и силы тяжести, то есть равнодействующая сила направлена под углом \alpha к горизонту.
image.png
Найдем модуль силы реактивной тяги из векторного треугольника сил:
\left| \vec{F}_p \right| = \sqrt{\left( mg \right) ^2 + \left( ma \right) ^2 + 2\cdot mg\cdot ma\cdot \cos \left( 90^o+\alpha \right)} = m \sqrt{g^2+a^2-2ga \cdot \sin\alpha }.
Определим угол \beta , который составляет \vec{F}_p с горизонтом.
Воспользуемся теоремой синусов:
\frac{\sin \left( 90^o-\beta \right)}{ma} = \frac{\sin\left( 90^o+\alpha \right)}{F_p},
\frac{\cos \beta }{ma} = \frac{\cos \alpha }{m \sqrt{g^2+a^2-2ga \cdot \sin\alpha }},
\cos \beta = \cos\alpha \cdot \frac{a}{\sqrt{g^2+a^2-2ga \sin\alpha }}.
Задача 10.
Условие
Определить силу давления пассажиров на пол кабины лифта, если их масса 150 кг:
1. при спуске с ускорением 0,6\ \frac{\text{м}}{c^2} ;
2. при подъеме с тем же ускорением;
3. при равномерном движении.
Решение.
Тела движутся поступательно, поэтому мы можем применить второй закон Ньютона, сформулированный для материальных точек:
\vec{F}_\Sigma = m \vec{a}.
Будем решать эту задачу в инерциальной системе отсчета, связанной с землей.
Сначала рассмотрим первый случай -- лифт опускается с ускорением 0,6\ \frac{\text{м}}{c^2} . Схематично изобразим систему на рисунке.
image.png Применим второй закон Ньютона:
m \vec{g} + \vec{N} = m \vec{a}.
Проекция векторов на ось y будет иметь вид
-mg +N = m \left( -a \right).
Выразим силу реакции опоры:
N = mg-ma = m \left( g-a \right).
По третьему закону Ньютона,
N=P_1.
Таким образом,
P_1 = m \left( g-a \right),
P_1 = 150\ \text{кг} \cdot \left( 10 \frac{\text{м}}{c^2} - 0,6 \frac{\text{м}}{c^2} \right) = 150\ \text{кг} \cdot 9,4 \frac{\text{м}}{c^2} = 1410\ H<1500\ H.
Рассмотрим второй случай -- лифт поднимается с ускорением 0,6 \frac{\text{м}}{c^2} . В этом случае ускорение направлено вверх.
image.png Применим второй закон Ньютона:
m \vec{g} + \vec{N}_2 = m \vec{a}.
Проекция на ось y :
-mg + N_2 = ma.
Отсюда получаем
N_2 = mg+ma=m \left( g+a \right).
По третьему закону Ньютона
N_2 = P_2.
Таким образом,
P_2 = m \left( g+a \right),
P_2 = 150\ \text{кг} \cdot \left( 10 \frac{\text{м}}{c^2} + 0,6 \frac{\text{м}}{c^2} \right) = 150 \text{кг} \cdot 10,6 \frac{\text{м}}{c^2} = 1590\ H > 1500\ H.
Рассмотрим третий случай -- кабина лифта движется равномерно. В этом случае неважно, в каком направлении движется лифт, так как ускорение равно нулю: \vec{a}=\vec{0} .
image.png Применим второй закон Ньютона:
m \vec{g}+\vec{N}_3 = \vec{0}.
Отсюда получаем
N_3 = mg
Р_3 = 150\ \text{кг} \cdot 10 \frac{\text{м}}{c^2} = 1500\ H.
Ответ: P_1 = 1410\ H , P_2 = 1590\ H , P_3 = 1500\ H .