семинар 8, сложность 2: Часть 4

Физика, 9 класс

Задача 2 Условие Через блок, представляющий собой сплошной диск радиусом $ R $, перекинута нить. На нити подвешены грузы массами $ m_1 $ и $ m_2 $ ($ m_2 > m_1 $). Масса блока $ m $ (рис. [fig:task2_1...

Видео

Конспект

Задача 2

Условие

Через блок, представляющий собой сплошной диск радиусом $ R $, перекинута нить. На нити подвешены грузы массами $ m_1 $ и $ m_2 $ ($ m_2 > m_1 $). Масса блока $ m $ (рис. [fig:task2_1]). Определите разность сил натяжения нитей с обеих сторон блока и ускорение грузов. Считать, что нить нерастяжима и не может скользить по блоку.

task2_fig1

Решение

Будем решать задачу в ИСО, связанной с Землёй. Движение грузов будем описывать с помощью второго закона Ньютона динамики материальной точки: $$

\vec{F}_\Sigma = m \vec{a}.

$$ Движение блока будем описывать с помощью уравнения динамики абсолютно твердого тела: $$

\vec{M}= J \vec{\beta}.

$$ Расставим силы, действующие на грузы и блок (рис. [fig:task2_2]).

task2_fig2

Так как нить нерастяжима, а блок неподвижен, $$

\left| \vec{a}_1 \right| = \left| \vec{a}_2 \right| = a.

$$ Запишем второй закон Ньютона для грузов: $$

m_1 \vec{g} + \vec{T}_1 = m_1 \vec{a}_1,

$$ $$

m_2 \vec{g} + \vec{T}_2 = m_2 \vec{a}_2.

$$ Второй закон Ньютона для блока: $$

M_\Sigma = J_c\cdot \beta.

$$ В проекции на ось $y$: $$

m_1g-T_1 = -m_1\cdot a,

$$ $$

m_2g - T_2 = m_2\cdot a.

$$ Решим уравнения совместно (вычтем из первого равентсва второе) $$

\left( m_2-m_1 \right) g - T_2+T_1 = \left( m_2+m_1 \right) a.

$$ и получим выражение для ускорения: $$

a = \frac{\left( m_2-m_1 \right) - \left( T_2-T_1 \right) }{m_1+m_2} = 0.

$$ Уравнение моментов относительно точки $C$: $$

T_1\cdot R - T_2\cdot R = J_c \cdot \left( -\beta \right).

$$ Выражение для углового ускорения: $$

\beta = \frac{\left( T_2-T_1 \right) R}{J_c}.

$$ Связь между линейным и угловым ускорениями: $$

a_\tau = \beta \cdot r.

$$ Для точек на ободе диска тангенциальное ускорение $a_\tau $ совпадает с линейным $a$: $$

a_\tau = a=\beta \cdot R.

$$ Таким образом, $$

\beta = \frac{\left( T_2-T_1 \right) R}{J_c} = \frac{a}{R}.

$$ Разность натяжения нити слева и справа: $$

T_2-T_1 = \frac{a\cdot J_c}{R^2} \neq 0.

$$ Отметим, что в общем случае разность $T_2-T_1$ ненулевая. $T_2=T_1$, только если $J_c=0$ (блок невесомый).

Решим уравнение и найдем ускорение: $$

\left( m_2-m_1 \right) g - \frac{a\cdot J_c}{R^2} = \left( m_2+m_1 \right) a,

$$

$$

a = \frac{\left( m_2-m_1 \right) g}{m_1+m_2+\frac{J_c}{R^2}}.

$$ Если $J_c \ll \left( m_1+m_2 \right) R^2$, то $a= \frac{m_2-m_1}{m_1+m_2}g$.

Если $( m_1+m_2 ) R^2 \ll \ J_c$, то моментом инерции диска нельзя пренебречь. Центральный момент инерции диска: $$

J_c = \frac{mR^2}{2}.

$$ Таким образом, $$

a_1 = a_2 = a = \frac{\left( m_2-m_1 \right) g}{m_1+m_2+\frac{m}{2}}.

$$ Ответ: $a = \frac{\left( m_2-m_1 \right) }{m_1+m_2+\frac{m}{2}}g$.

Открыть урок на ВОЛНА