Консультация № 136867
14.05.2008, 22:51
0.00 руб.
0 1 1
Здравствуйте, уважаемые эксперты! Прошу Вас помочь решить задачу (если можно, то втечение нескольких часов, срочно нужно решение).

Подвешенный на гвоздь обруч массой М и радиусом R совершает колебания. Амплитуда колебаний обруча А. Определить максимальное значение кинетической энергии и циклическую частоту колебаний. Записать уравнение колебаний обруча, ситая, что в начальный момент времени t=0 отклонение обруча было максимальным.
Заранее благодарна.

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
27822
2370
19.05.2008, 12:49
общий
это ответ
Здравствуйте, Eniseia!
Обруч надо рассматривать как физический маятник - твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или оси, не проходящей через центр масс этого тела (материал из Википедии - свободной энциклопедии). Циклическая частота ω колебаний физического маятника в поле земного тяготения напряжённостью g равна: ω = √(g/l) (1), где l - приведённая длина: l = J/(m*a) (2), где J - момент инерции относительно точки подвеса, m - масса, a - расстояние от точки подвеса до центра масс. В нашем случае центр масс обруча находится в его геометрическом центре; считая, по умолчанию, что влиянием толщины обруча можно пренебречь, принимаем a = R. Момент инерции обруча ("тонкостенного кольца/цилиндра") относительно его центра масс ("центральный") J<sub>ц</sub> равен (см. там же "<i>Моменты инерции</i> однородных тел простейшей формы относительно некоторых осей"): J<sub>ц</sub> = М*R<sup>2</sup> (3). Полный момент инерции обруча J<sub>п</sub> относительно точки на его ободе, находящейся на расстоянии R от центра масс, определяется по теореме Штейнера: J<sub>п</sub> = J<sub>ц</sub> + М*R<sup>2</sup> (4), или, совместно с (3): J<sub>п</sub> = 2*М*R<sup>2</sup> (5). Подставив (5) в (2), после сокращений получаем: l = 2*R, а из (1): ω = √(g/(2*R)) (6). В условии не оговорено чётко, какая именно величина считается отклонением обруча; принимаем что это смещение X его нижней точки от положения равновесия. Уравнение колебаний обруча: X = А*COS(ω*t) = А*COS(√(g/(2*R))*t) (7). Скорость нижней точки V равна: V = dX/dt = -А*√(g/(2*R))*SIN(√(g/(2*R))*t) (8). Кинетическая энергия K обруча равна: K = J<sub>п</sub>*ω<sub>обр</sub><sup>2</sup>/2 (9), где ω<sub>обр</sub> = V/(2*R) - угловая скорость обруча; перепишем (9) с учётом (5): K = (2*М*R<sup>2</sup>*V<sup>2</sup>/((2*R)<sup>2</sup>))/2 = М*V<sup>2</sup>/4 (10). Из (8) видно, что модуль V достигает максимального значения V<sub>макс</sub>, когда SIN(√(g/(2*R))*t) = 1, значит V<sub>макс</sub> = А*√(g/(2*R)), а V<sub>макс</sub><sup>2</sup> = А<sup>2</sup>*g/(2*R) (11). Подставив (11) в (10), получаем максимальное значение кинетической энергии: K<sub>макс</sub> = М*А<sup>2</sup>*g/(8*R) (12).
Форма ответа