Равнодействующая сила по окружности

I. Механика

Видео:Равнодействующая сила за 10 минут | Физика ЕГЭ 2022 | PartaСкачать

Равнодействующая сила за 10 минут | Физика ЕГЭ 2022 | Parta

Тестирование онлайн

Видео:Физика 7 класс (Урок№13 - Равнодействующая сила.)Скачать

Физика 7 класс (Урок№13 - Равнодействующая сила.)

Определение

Это векторная сумма всех сил, действующих на тело.

Равнодействующая сила по окружности

Велосипедист наклоняется в сторону поворота. Сила тяжести и сила реакции опоры со стороны земли дают равнодействующую силу, сообщающую центростремительное ускорение, необходимое для движения по окружности

Видео:Физика - движение по окружностиСкачать

Физика - движение по окружности

Взаимосвязь со вторым законом Ньютона

Вспомним закон Ньютона:
Равнодействующая сила по окружностиРавнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила может быть равна нулю в том случае, когда одна сила компенсируется другой, такой же силой, но противоположной по направлению. В этом случае тело находится в покое или движется равномерно.

Равнодействующая сила по окружности

Сила Архимеда уравновешивается силой тяжести, тело равномерно перемещается в жидкости вниз.

Равнодействующая сила по окружности

Сила тяжести уравновешивается силой упругости. Книга покоится

Если равнодействующая сила НЕ равна нулю, то тело движется равноускоренно. Собственно именно эта сила является причиной неравномерного движения. Направление равнодействующей силы всегда совпадает по направлению с вектором ускорения.

Когда требуется изобразить силы, действующие на тело, при этом тело движется равноускоренно, значит в направлении ускорения действующая сила длиннее противоположной. Если тело движется равномерно или покоится длина векторов сил одинаковая.

Равнодействующая сила по окружности

Сила реакции опоры (сила, направленная вверх) длиннее силы тяжести, так как шарик движется по окружности, центростремительное ускорение направлено вверх

Равнодействующая сила по окружности

Сила реакции опоры (сила, направленная вверх) короче силы тяжести, так как шарик движется по окружности, центростремительное ускорение направлено вниз. Вектор силы тяжести, направленный вниз, длиннее.

Видео:Равнодействующая силСкачать

Равнодействующая сил

Нахождение равнодействующей силы

Для того, чтобы найти равнодействующую силу, необходимо: во-первых, верно обозначить все силы, действующие на тело; затем изобразить координатные оси, выбрать их направления; на третьем шаге необходимо определить проекции векторов на оси; записать уравнения. Кратко: 1) обозначить силы; 2) выбрать оси, их направления; 3) найти проекции сил на оси; 4) записать уравнения.

Как записать уравнения? Если в некотором направлении тело двигается равномерно или покоится, то алгебраическая сумма (с учетом знаков) проекций сил равна нулю. Если в некотором направлении тело движется равноускоренно, то алгебраическая сумма проекций сил равна произведению массы на ускорение, согласно второму закону Ньютона.

Видео:Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью | Физика 9 класс #18 | ИнфоурокСкачать

Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью | Физика 9 класс #18 | Инфоурок

Примеры

На движущееся равномерно по горизонтальной поверхности тело, действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения и сила, под действием которой тело движется.

Обозначим силы, выберем координатные оси

Равнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила по окружности

Тело, которое прижимают к вертикальной стенке, равноускоренно движется вниз. На тело действуют сила тяжести, сила трения, реакция опоры и сила, с которой прижимают тело. Вектор ускорения направлен вертикально вниз. Равнодействующая сила направлена вертикально вниз.

Равнодействующая сила по окружности
Равнодействующая сила по окружности
Равнодействующая сила по окружности

Тело равноускоренно движется по клину, наклон которого альфа. На тело действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения.

Равнодействующая сила по окружности
Равнодействующая сила по окружности
Равнодействующая сила по окружности

Видео:7 класс, 8 урок, Сила. Равнодействующая силСкачать

7 класс, 8 урок, Сила. Равнодействующая сил

Главное запомнить

1) Если тело покоится или движется равномерно, то равнодействующая сила равна нулю и ускорение равно нулю;
2) Если тело движется равноускоренно, значит равнодействующая сила не нулевая;
3) Направление вектора равнодействующей силы всегда совпадает с направлением ускорения;
4) Уметь записывать уравнения проекций действующих на тело сил

Видео:Равнодействующая и сложение силСкачать

Равнодействующая и сложение сил

Системы и блоки*

Блок — механическое устройство, колесо, вращающееся вокруг своей оси. Блоки могут быть подвижными и неподвижными.

Неподвижный блок используется лишь для изменения направления силы.

Равнодействующая сила по окружности

Тела, связанные нерастяжимой нитью, имеют одинаковые по величине ускорения.

Подвижный блок предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза. Действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом.

Равнодействующая сила по окружности

Ускорение тела А в два раза меньше ускорения тела В.

Фактически, любой блок представляет собой рычаг, в случае неподвижного блока — равноплечий, в случае подвижного — с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии

Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст.

Видео:Урок 43. Криволинейное движение. Равномерное движение по окружности. Центростремительное ускорениеСкачать

Урок 43. Криволинейное движение. Равномерное движение по окружности. Центростремительное ускорение

Асламазов Л.Г. Движение по окружности // Квант

Асламазов Л.Г. Движение по окружности // Квант. — 1972. — № 9. — С. 51-57.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Для описания движения по окружности наряду с линейной скоростью вводят понятие угловой скорости. Если точка при движении по окружности за время Δt описывает дугу, угловая мера которой Δφ, то угловая скорость Равнодействующая сила по окружности.

Угловая скорость ω связана с линейной скоростью υ соотношением υ = ω·r, где r — радиус окружности, по которой движется точка (рис. 1). Понятие угловой скорости особенно удобно для описания вращения твердого тела вокруг оси. Хотя линейные скорости у точек, находящихся на разном расстоянии от оси, будут неодинаковыми, их угловые скорости будут равны, и можно говорить об угловой скорости вращения тела в целом.

Равнодействующая сила по окружности

Задача 1. Диск радиуса r катится без проскальзывания по горизонтальной плоскости. Скорость центра диска постоянная и равна υп. С какой угловой скоростью при этом вращается диск?

Каждая точка диска участвует в двух движениях — в поступательном движении со скоростью υп вместе с центром диска и во вращательном движении вокруг центра с некоторой угловой скоростью ω.

Для нахождения ω воспользуемся отсутствием проскальзывания, то есть тем, что в каждый момент времени скорость точки диска, соприкасающейся с плоскостью, равна нулю. Это означает, что для точки А (рис. 2) скорость поступательного движения υп равна по величине и противоположна по направлению линейной скорости вращательного движения υвр = ω·r. Отсюда сразу получаем Равнодействующая сила по окружности.

Равнодействующая сила по окружности

Задача 2. Найти скорости точек В, С и D того же диска (рис. 3).

Равнодействующая сила по окружности

Рассмотрим вначале точку В. Линейная скорость ее вращательного движения направлена вертикально вверх и равна Равнодействующая сила по окружности, то есть по величине равна скорости поступательного движения, которая, однако, направлена горизонтально. Складывая векторно эти две скорости, находим, что результирующая скорость υB по величине равна Равнодействующая сила по окружностии образует угол 45º с горизонтом. У точки С скорости вращательного и поступательного движения направлены в одну сторону. Результирующая скорость υC равна 2υп и направлена горизонтально. Аналогично находится и скорость точки D (см. рис. 3).

Даже в том случае, когда скорость точки, движущейся по окружности, не меняется по величине, точка имеет некоторое ускорение, так как меняется направление вектора скорости. Это ускорение называется центростремительным. Оно направлено к центру окружности и равно Равнодействующая сила по окружности(R — радиус окружности, ω и υ — угловая и линейная скорости точки).

Если же скорость точки, движущейся по окружности, меняется не только по направлению, но и по величине, то наряду с центростремительным ускорением существует и так называемое тангенциальное ускорение. Оно направлено по касательной к окружности и равно отношению Равнодействующая сила по окружности(Δυ — изменение величины скорости за время Δt).

Задача 3. Найти ускорения точек А, В, С и D диска радиуса r, катящегося без проскальзывания по горизонтальной плоскости. Скорость центра диска постоянна и равна υп (рис. 3).

В системе координат, связанной с центром диска, диск вращается с угловой скоростью ω, а плоскость движется поступательно со скоростью υп. Проскальзывание между диском и плоскостью отсутствует, следовательно, Равнодействующая сила по окружности. Скорость поступательного движения υп не меняется, поэтому угловая скорость вращения диска постоянная и точки диска имеют только центростремительное ускорение Равнодействующая сила по окружности, направленное к центру диска. Так как система координат движется без ускорения (с постоянной скоростью υп), то в неподвижной системе координат ускорения точек диска будут теми же.

Перейдем теперь к задачам на динамику вращательного движения. Вначале рассмотрим простейший случай, когда движение по окружности происходит с постоянной скоростью. Так как ускорение тела при этом направлено к центру, то и векторная сумма всех сил, приложенных к телу, должна быть тоже направлена к центру, и по II закону Ньютона Равнодействующая сила по окружности.

Следует помнить, что в правую часть этого уравнения входят только реальные силы, действующие на данное тело со стороны других тел. Никакой центростремительной силы при движении по окружности не возникает. Этим термином пользуются просто для обозначения равнодействующей сил, приложенных к телу, движущемуся по окружности. Что касается центробежной силы, то она возникает только при описании движения по окружности в неинерциальной (вращающейся) системе координат. Мы пользоваться здесь понятием центростремительной и центробежной силы вообще не будем.

Задача 4. Определить наименьший радиус закругления дороги, которое автомобиль может пройти при скорости υ = 70 км/ч и коэффициенте трения шин о дорогу k =0,3.

На автомобиль действуют сила тяжести Р = m·g, сила реакции дороги N и сила трения Fтp между шинами автомобиля и дорогой. Силы Р и N направлены вертикально и равны по величине: P = N. Сила трения, препятствующая проскальзыванию («заносу») автомобиля, направлена к центру поворота и сообщает центростремительное ускорение: Равнодействующая сила по окружности. Максимальное значение силы трения Fтр max = k·N = k·m·g, поэтому минимальное значение радиуса окружности, по которой еще возможно движение со скоростью υ, определяется из уравнения Равнодействующая сила по окружности. Отсюда Равнодействующая сила по окружности(м).

Сила реакции дороги N при движении автомобиля по окружности не проходит через центр тяжести автомобиля. Это связано с тем, что ее момент относительно центра тяжести должен компенсировать момент силы трения, стремящийся опрокинуть автомобиль. Величина силы трения тем больше, чем больше скорость автомобиля Равнодействующая сила по окружности. При некотором значении скорости момент силы трения превысит момент силы реакции и автомобиль опрокинется.

Задача 5. При какой скорости автомобиль, движущийся по дуге окружности радиуса R = 130 м, может опрокинуться? Центр тяжести автомобиля находится на высоте h = 1 м над дорогой, ширина следа автомобиля l = 1,5 м (рис. 4).

Равнодействующая сила по окружности

В момент опрокидывания автомобиля как сила реакции дороги N, так и сила трения Fтp приложены к «внешнему» колесу. При движении автомобиля по окружности со скоростью υ на него действует сила трения Равнодействующая сила по окружности. Эта сила создает момент относительно центра тяжести автомобиля Равнодействующая сила по окружности. Максимальный момент силы реакции дороги N = m·g относительно центра тяжести равен Равнодействующая сила по окружности(в момент опрокидывания сила реакции проходит через внешнее колесо). Приравнивая эти моменты, найдем уравнение для максимальной скорости, при которой автомобиль еще не опрокинется:

Равнодействующая сила по окружности

Откуда Равнодействующая сила по окружности≈ 30 м/с ≈ 110 км/ч.

Чтобы автомобиль мог двигаться с такой скоростью, необходим коэффициент трения Равнодействующая сила по окружности(см. предыдущую задачу).

Аналогичная ситуация возникает при повороте мотоцикла или велосипеда. Сила трения, создающая центростремительное ускорение, имеет момент относительно центра тяжести, стремящийся опрокинуть мотоцикл. Поэтому для компенсации этого момента моментом силы реакции дороги мотоциклист наклоняется в сторону поворота (рис. 5).

Задача 6. Мотоциклист едет по горизонтальной дороге со скоростью υ = 70 км/ч, делая поворот радиусом R = 100 м. На какой угол α к горизонту он должен при этом наклониться, чтобы не упасть?

Сила трения между мотоциклом и дорогой Равнодействующая сила по окружности, так как она сообщает мотоциклисту центростремительное ускорение. Сила реакции дороги N = m·g. Условие равенства моментов силы трения и силы реакции относительно центра тяжести дает уравнение: Fтp·l·sin α = N·l·cos α, где l — расстояние ОА от центра тяжести до следа мотоцикла (см. рис. 5).

Равнодействующая сила по окружности

Подставляя сюда значения Fтp и N, находим что Равнодействующая сила по окружностиили Равнодействующая сила по окружности. Отметим, что равнодействующая сил N и Fтp при этом угле наклона мотоцикла проходит через центр тяжести, что и обеспечивает равенство нулю суммарного момента сил N и Fтp.

Для того, чтобы увеличить скорость движения по закруглению дороги, участок дороги на повороте делают наклонным. При этом в создании центростремительного ускорения, кроме силы трения, участвует и сила реакции дороги.

Задача 7. С какой максимальной скоростью υ может двигаться автомобиль по наклонному треку с углом наклона α при радиусе закругления R и коэффициенте трения шин о дорогу k?

На автомобиль действуют сила тяжести m·g, сила реакции N, направленная перпендикулярно плоскости трека, и сила трения Fтp, направленная вдоль трека (рис. 6).

Равнодействующая сила по окружности

Так как нас не интересуют в данном случае моменты сил, действующих на автомобиль, мы нарисовали все силы приложенными к центру тяжести автомобиля. Векторная сумма всех сил должна быть направлена к центру окружности, по которой движется автомобиль, и сообщать ему центростремительное ускорение. Поэтому сумма проекций сил на направление к центру (горизонтальное направление) равна Равнодействующая сила по окружности, то есть

Равнодействующая сила по окружности

Сумма проекций всех сил на вертикальное направление равна нулю:

Подставляя в эти уравнения максимальное возможное значение силы трения Fтp = k·N и исключая силу N, находим максимальную скорость Равнодействующая сила по окружности, с которой еще возможно движение по такому треку. Это выражение всегда больше значения Равнодействующая сила по окружности, соответствующего горизонтальной дороге.

Разобравшись с динамикой поворота, перейдем к задачам на вращательное движение в вертикальной плоскости.

Задача 8. Автомобиль массы m = 1,5 т движется со скоростью υ = 70 км/ч по дороге, показанной на рисунке 7. Участки дороги АВ и ВС можно считать дугами окружностей радиуса R = 200 м, касающимися друг друга в точке В. Определить силу давления автомобиля на дорогу в точках А и С. Как меняется сила давления при прохождении автомобилем точки В?

Равнодействующая сила по окружности

В точке А на автомобиль действуют сила тяжести Р = m·g и сила реакции дороги NA. Векторная сумма этих сил должна быть направлена к центру окружности, то есть вертикально вниз, и создавать центростремительное ускорение: Равнодействующая сила по окружности, откуда Равнодействующая сила по окружности(Н). Сила давления автомобиля на дорогу равна по величине и противоположна по направлению силе реакции. В точке С векторная сумма сил направлена вертикально вверх: Равнодействующая сила по окружностии Равнодействующая сила по окружности(Н). Таким образом, в точке А сила давления меньше силы тяжести, а в точке С — больше.

В точке В автомобиль переходит с выпуклого участка дороги на вогнутый (или наоборот). При движении по выпуклому участку проекция силы тяжести на направление к центру должна превышать силу реакции дороги NB1, причем Равнодействующая сила по окружности. При движении по вогнутому участку дороги, наоборот, сила реакции дороги NВ2 превосходит проекцию силы тяжести: Равнодействующая сила по окружности.

Из этих уравнений получаем, что при прохождении точки В сила давления автомобиля на дорогу меняется скачком на величину Равнодействующая сила по окружности≈ 6·10 3 Н. Разумеется, такие ударные нагрузки действуют разрушающе как на автомобиль, так и на дорогу. Поэтому дороги и мосты всегда стараются делать так, чтобы их кривизна менялась плавно.

При движении автомобиля по окружности с постоянной скоростью сумма проекций всех сил на направление, касательное к окружности, должна быть равна нулю. В нашем случае касательная составляющая силы тяжести уравновешивается силой трения между колесами автомобиля и дорогой.

Величина силы трения регулируется вращательным моментом, прикладываемым к колесам со стороны мотора. Этот момент стремится вызвать проскальзывание колес относительно дороги. Поэтому возникает сила трения, препятствующая проскальзыванию и пропорциональная приложенному моменту. Максимальное значение силы трения равно k·N, где k — коэффициент трения между шинами автомобиля и дорогой, N — сила давления на дорогу. При движении автомобиля вниз сила трения играет роль тормозящей силы, а при движении вверх, наоборот, роль силы тяги.

Задача 9. Автомобиль массой m = 0,5 т, движущийся со скоростью υ = 200 км/ч, совершает «мертвую петлю» радиуса R = 100 м (рис. 8). Определить силу давления автомобиля на дорогу в верхней точке петли А; в точке В, радиус-вектор которой составляет угол α = 30º с вертикалью; в точке С, в которой скорость автомобиля направлена вертикально. Возможно ли движение автомобиля по петле с такой постоянной скоростью при коэффициенте трения шин о дорогу k = 0,5?

Равнодействующая сила по окружности

В верхней точке петли сила тяжести и сила реакции дороги NA направлены вертикально вниз. Сумма этих сил создает центростремительное ускорение: Равнодействующая сила по окружности. Поэтому Равнодействующая сила по окружностиН.

Сила давления автомобиля на дорогу равна по величине и противоположна по направлению силе NА.

В точке В центростремительное ускорение создается суммой силы реакции и проекции силы тяжести на направление к центру: Равнодействующая сила по окружности. Отсюда Равнодействующая сила по окружностиН.

Легко видеть, что NB > NA; с увеличением угла α сила реакции дороги увеличивается.

В точке С сила реакции Равнодействующая сила по окружностиН; центростремительное ускорение в этой точке создается только силой реакции, а сила тяжести направлена по касательной. При движении по нижней части петли сила реакции будет превышать Равнодействующая сила по окружностии максимальное значение Равнодействующая сила по окружностиН сила реакции имеет в точке D. Значение Равнодействующая сила по окружности, таким образом, является минимальным значением силы реакции.

Скорость автомобиля будет постоянной, если касательная составляющая силы тяжести не превышает максимальной силы трения k·N во всех точках петли. Это условие заведомо выполняется, если минимальное значение Равнодействующая сила по окружностипревосходит максимальное значение касательной составляющей силы веса. В нашем случае это максимальное значение равно m·g (оно достигается в точке С), и условие Равнодействующая сила по окружностивыполняется при k = 0,5, υ = 200 км/ч, R = 100 м.

Таким образом, в нашем случае движение автомобиля по «мертвой петле» с постоянной скоростью возможно.

Рассмотрим теперь движение автомобиля по «мертвой петле» с выключенным мотором. Как уже отмечалось, обычно момент силы трения противодействует моменту, приложенному к колесам со стороны мотора. При движении автомобиля с выключенным мотором этого момента нет, и силой трения между колесами автомобиля и дорогой можно пренебречь.

Скорость автомобиля уже не будет постоянной — касательная составляющая силы тяжести замедляет или ускоряет движение автомобиля по «мертвой петле». Центростремительное ускорение тоже будет меняться. Создается оно, как обычно, равнодействующей силы реакции дороги и проекции силы тяжести на направление к центру петли.

Задача 10. Какую наименьшую скорость должен иметь автомобиль в нижней точке петли D (см. рис. 8) для того, чтобы совершить ее с выключенным мотором? Чему будет равна при этом сила давления автомобиля на дорогу в точке В? Радиус петли R = 100 м, масса автомобиля m = 0,5 т.

Посмотрим, какую минимальную скорость может иметь автомобиль в верхней точке петли А, чтобы продолжать двигаться по окружности?

Центростремительное ускорение в этой точке дороги создается суммой силы тяжести и силы реакции дороги Равнодействующая сила по окружности. Чем меньшую скорость имеет автомобиль, тем меньшая возникает сила реакции NA. При значении Равнодействующая сила по окружностиэта сила обращается в нуль. При меньшей скорости сила тяжести превысит значение, необходимое для создания центростремительного ускорения, и автомобиль оторвется от дороги. При скорости Равнодействующая сила по окружностисила реакции дороги обращается в нуль только в верхней точке петли. В самом деле, скорость автомобиля на других участках петли будет большей, и как легко видеть из решения предыдущей задачи, сила реакции дороги тоже будет большей, чем в точке А. Поэтому, если автомобиль в верхней точке петли имеет скорость Равнодействующая сила по окружности, то он нигде не оторвется от петли.

Теперь определим, какую скорость должен иметь автомобиль в нижней точке петли D, чтобы в верхней точке петли А его скорость Равнодействующая сила по окружности. Для нахождения скорости υD можно воспользоваться законом сохранения энергии, как если бы автомобиль двигался только под действием силы тяжести. Дело в том, что сила реакции дороги в каждый момент направлена перпендикулярно перемещению автомобиля, а, следовательно, ее работа равна нулю (напомним, что работа ΔA = F·Δs·cos α, где α — угол между силой F и направлением перемещения Δs). Силой трения между колесами автомобиля и дорогой при движении с выключенным мотором можно пренебречь. Поэтому сумма потенциальной и кинетической энергии автомобиля при движении с выключенным мотором не меняется.

Приравняем значения энергии автомобиля в точках А и D. При этом будем отсчитывать высоту от уровня точки D, то есть потенциальную энергию автомобиля в этой точке будем считать равной нулю. Тогда получаем

Равнодействующая сила по окружности

Подставляя сюда значение Равнодействующая сила по окружностидля искомой скорости υD, находим: Равнодействующая сила по окружности≈ 70 м/с ≈ 260 км/ч.

Если автомобиль въедет в петлю с такой скоростью, то он сможет совершить ее с выключенным мотором.

Определим теперь, с какой силой при этом автомобиль будет давить на дорогу в точке В. Скорость автомобиля в точке В опять легко находится из закона сохранения энергии:

Равнодействующая сила по окружности

Подставляя сюда значение Равнодействующая сила по окружности, находим, что скорость Равнодействующая сила по окружности.

Воспользовавшись решением предыдущей задачи, по заданной скорости находим силу давления в точке B:

Равнодействующая сила по окружностиН.

Аналогично можно найти силу давления в любой другой точке «мертвой петли».

1. Найти угловую скорость искусственного спутника Земли, вращающегося по круговой орбите с периодом обращения Т = 88 мин. Найти линейную скорость движения этого спутника, если известно, что его орбита расположена на расстоянии R = 200 км от поверхности Земли.

2. Диск радиуса R помещен между двумя параллельными рейками. Рейки движутся со скоростями υ1 и υ2. Определить угловую скорость вращения диска и скорость его центра. Проскальзывание отсутствует.

3. Диск катится по горизонтальной поверхности без проскальзывания. Показать, что концы векторов скоростей точек вертикального диаметра находятся на одной прямой.

4. Самолет движется по окружности с постоянной горизонтальной скоростью υ = 700 км/час. Определить радиус R этой окружности, если корпус самолета наклонен на угол α = 5°.

5. Груз массы m = 100 г, подвешенный на нити длины l = 1 м, равномерно вращается по кругу в горизонтальной плоскости. Найти период обращения груза, если при его вращении нить отклонена по вертикали на угол α = 30°. Определить также натяжение нити.

6. Автомобиль движется со скоростью υ = 80 км/ч по внутренней поверхности вертикального цилиндра радиуса R = 10 м по горизонтальному кругу. При каком минимальном коэффициенте трения между шинами автомобиля и поверхностью цилиндра это возможно?

7. Груз массой m подвешен на нерастяжимой нити, максимально возможное натяжение которой равно 1,5m·g. На какой максимальный угол α можно отклонить нить от вертикали, чтобы при дальнейшем движении груза нить не оборвалась? Чему будет равно при этом натяжение нити в тот момент, когда нить составит угол α/2 с вертикалью?

I. Угловая скорость искусственного спутника Земли Равнодействующая сила по окружности≈ 0,071 рад/с. Линейная скорость спутника υ = ω·R. где R — радиус орбиты. Подставляя сюда R = R3 + h, где R3 ≈ 6400 км, находим υ ≈ 467 км/с.

2. Здесь возможны два случая (рис. 1). Если угловая скорость диска ω, а скорость его центра υ, то скорости точек, соприкасающихся с рейками, будут соответственно равны

(Мы приняли для определенности, что υ1 > υ2). Решая эти системы, находим:

а)Равнодействующая сила по окружности

б) Равнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила по окружности

3. Скорость любой точки М, лежащей на отрезке ОВ (см. рис. 2), находится по формуле υM = υ + ω·rM, где rM — расстояние от точки М до центра диска О. Для любой точки N, принадлежащей отрезку ОА, имеем: υN = υ – ω·rN, где rN — расстояние от точки N до центра. Обозначим через ρ расстояние от любой точки диаметра ВА до точки А соприкосновения диска с плоскостью. Тогда очевидно, что rM = ρ – R и rN = R – ρ = –(ρ – R). где R — радиус диска. Поэтому скорость любой точки на диаметре ВА находится по формуле: υρ = υ + ω·(ρ – R). Так как диск катится без проскальзывания, то Равнодействующая сила по окружностии для скорости υρ получаем υρ = ω·ρ. Отсюда следует, что концы векторов скоростей находятся на прямой, выходящей из точки А и наклоненной к диаметру ВА под углом, пропорциональным угловой скорости вращения диска ω.

Равнодействующая сила по окружности

Доказанное утверждение позволяет нам сделать вывод, что сложное движение точек, находящихся на диаметре ВА, можно в каждый данный момент рассматривать как простое вращение вокруг неподвижной точки А с угловой скоростью ω, равной угловой скорости вращения вокруг центра диска. В самом деле, в каждый момент скорости этих точек направлены перпендикулярно диаметру ВА, а по величине равны произведению ω на расстояние до точки А.

Оказывается, что это утверждение справедливо для любой точки диска. Более того, оно является общим правилом. При любом движении твердого тела в каждый момент существует ось, вокруг которой тело просто вращается — мгновенная ось вращения.

4. На самолет действуют (см. рис. 3) сила тяжести Р = m·g и подъемная сила N, направленная перпендикулярно плоскости крыльев (так как самолет движется с постоянной скоростью, то сила тяги и сила лобового сопротивления воздуха уравновешивают друг друга). Равнодействующая сил Р и N должна быть направлена к центру окружности, по которой движется самолет, и создавать центростремительное ускорение Равнодействующая сила по окружности. Из рисунка находим:

Равнодействующая сила по окружностиили Равнодействующая сила по окружностикм.

Равнодействующая сила по окружности

5. Равнодействующая силы тяжести Р = m·g и силы натяжения нити Т должна создавать центростремительное ускорение ац = ω 2 ·R, где R = l·sin α — радиус круга, по которому вращается груз. Из рисунка 4 получаем:

m·ω 2 ·R = tg α, откуда Равнодействующая сила по окружности

Период обращения груза Равнодействующая сила по окружности

Натяжение нити Равнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила по окружности

6. На автомобиль действуют (рис. 5) сила тяжести Р = m·g, сила реакции со стороны цилиндра N и сила трения Fтp. Так как автомобиль движется по горизонтальному кругу, то силы Р и Fтp уравновешивают друг друга, а сила N создает центростремительное ускорение Равнодействующая сила по окружности. Максимальное значение силы трения связано с силой реакции N соотношением: Fтp = k·N. В результате получаем систему уравнений: Равнодействующая сила по окружности, из которой находится минимальное значение коэффициента трения Равнодействующая сила по окружности

Равнодействующая сила по окружности

7. Груз будет двигаться по окружности радиуса l (рис. 6). Центростремительное ускорение груза Равнодействующая сила по окружности(υ — скорость груза) создается разностью величин силы натяжения нити Т и проекции силы тяжести m·g направление нити: Равнодействующая сила по окружности. Поэтому Равнодействующая сила по окружности, где β — угол, образуемый нитью с вертикалью. По мере того, как груз будет опускаться, его скорость будет расти, а угол β будет уменьшаться. Натяжение нити станет максимальным при угле β = 0 (в тот момент, когда нить будет вертикальной): Равнодействующая сила по окружности. Максимальная скорость груза υ0 находится по углу α, на который отклоняют нить, из закона сохранения энергии:

Равнодействующая сила по окружности

Используя это соотношение, для максимального значения натяжения нити получаем формулу: Tmax = m·g·(3 – 2 cos α). По условию задачи Tmах = 2m·g. Приравнивая эти выражения, находим cos α = 0,5 и, следовательно, α = 60°.

Определим теперь натяжение нити при Равнодействующая сила по окружности. Скорость груза в этот момент также находится из закона сохранения энергии:

Равнодействующая сила по окружности

Подставляя значение υ1 в формулу для силы натяжения, находим:

Видео:Движение тел по окружностиСкачать

Движение тел по окружности

Центростремительное ускорение и центростремительная сила

Тело изменяет направление движения, когда движется по окружности. Это говорит о том, что подобное движение происходит под действием некоторой силы. Такую силу называют центростремительной. С ней связано центростремительное ускорение.

Видео:Физика, Динамика, Движение по окружностиСкачать

Физика, Динамика, Движение по окружности

Линейная скорость меняется от точки к точке

При движении по окружности вектор линейной скорости (vec) изменяет свое направление (рис. 1). Значит, направления векторов (vec) для соседних точек будут различаться! Но в каждой точке окружности вектор (vec) направлен перпендикулярно радиусу.

Равнодействующая сила по окружности

Тело, двигаясь по кругу, изменяет направление, в котором движется. А если меняется направление движения, изменяется вектор скорости тела.

Примечания:

  1. Характеристики вектора – это его длина и его направление. Если изменится хотя бы одна из них, говорят, что изменился вектор.
  2. Через красную точку на рисунке 1 проходит ось вращения. По правилу правого винта вдоль оси вращения направлена угловая скорость.

Видео:Урок 89. Движение по окружности (ч.1)Скачать

Урок 89. Движение по окружности (ч.1)

Центростремительная сила – причина движения по окружности

Первый закон Ньютона гласит: пока на тело не действуют другие тела, оно сохраняет свою скорость неизменной. То есть, тело покоится, или движется с постоянной скоростью по прямой.

Тело изменит скорость своего движения по направлению или по модулю, только если на него подействует сила (другое тело).

При движении тела по окружности вектор скорости изменяется по направлению. Значит, на движущееся по окружности тело действует сила.

Эта сила притягивает тело к центру окружности (рис. 2), заставляя тело поворачивать. Поэтому, силу называют центростремительной (стремится к центру). Она направлена к центру окружности по радиусу.

Равнодействующая сила по окружности

А если эту силу убрать, тело начнет двигаться по прямой с постоянной (одной и той же) скоростью.

Примечание: На любое тело, движущееся по окружности, действует центростремительная сила. Она в каждой точке этой окружности направлена к ее центру по радиусу.

Видео:Урок 38 (осн). Сложение сил, направленных по одной прямой. РавнодействующаяСкачать

Урок 38 (осн). Сложение сил, направленных по одной прямой. Равнодействующая

Центростремительное ускорение

Второй закон Ньютона утверждает: если есть сила, появится ускорение.

Сила и ускорение связаны так:

Это ускорение (vec<a_<text>>) сонаправлено (рис. 3) с вектором силы (vec< F_<text> >), поэтому, его называют центростремительным ускорением.

Равнодействующая сила по окружности

Длина центростремительного ускорения отличается от длины вектора силы в (m) раз. Где (m) – это масса точки.

Вектор ускорения (vec<a_<text>>) направлен по радиусу к центру окружности. Значит, он перпендикулярен вектору (vec) линейной скорости.

Поэтому центростремительное ускорение иногда называют нормальным ускорением.

Примечание: Нормаль – это перпендикуляр. Нормальное, значит, перпендикулярное.

Нормальное ускорение можно вычислить, пользуясь выражением:

​ ( vec<a_> left( frac<text><c^> right) ) ​ — центростремительное ускорение;

(v left( frac<text> right)) — линейная скорость точки;

(R left( textright)) – радиус окружности, по которой движется точка.

(m left( textright)) – масса точки.

Чем быстрее движется тело, и чем меньше радиус окружности, тем больше нормальное ускорение и центростремительная сила, действующая на тело.

Примечание: Нормальное ускорение есть всегда, когда есть движение по окружности, при этом не важно, меняется ли скорость тела по модулю, или не меняется.

🎬 Видео

Сложение сил, действующих на тело вдоль одной прямой. 7 класс.Скачать

Сложение сил, действующих на тело вдоль одной прямой. 7 класс.

Урок 90. Движение по окружности (ч.2)Скачать

Урок 90. Движение по окружности (ч.2)

Движение по окружностиСкачать

Движение по окружности

Сложение двух сил, направленных по одной прямой | Физика 7 класс #22 | ИнфоурокСкачать

Сложение двух сил, направленных по одной прямой | Физика 7 класс #22 | Инфоурок

Урок 82. Равнодействующая параллельных сил. Пара силСкачать

Урок 82. Равнодействующая параллельных сил. Пара сил

Что такое равнодействующая сила?Скачать

Что такое равнодействующая сила?

Движение по окружностиСкачать

Движение по окружности

Нахождение равнодействующей силы. Практика. Урок 9. Физика 10 классСкачать

Нахождение равнодействующей силы. Практика. Урок 9. Физика 10 класс
Поделиться или сохранить к себе: