Консультация № 200600
08.04.2021, 20:18
0.00 руб.
0 6 1
Здравствуйте, уважаемые эксперты! Прошу вас ответить на следующий вопрос:
Бусинка массы m надета на гладкое проволочное кольцо радиуса R, плоскость которого наклонена под углом a=30 градусов к горизонту. Кольцо жесткое и закреплено неподвижно. В некоторый момент бусинка начинает движение из верхней точки кольца с пренебрежимо малой скоростью.
Найдите ускорение a бусинки в нижней точке кольца (укажите величину и направление).
С какой по величине силой N действует кольцо на бусинку в момент прохождения нижней точки кольца.
Какой угол beta образует сила N с вертикалью?

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
11.04.2021, 18:00
общий
это ответ
Здравствуйте, Veterok!
Условие : Масса бусинки : m ; Радиус кольца : R ; Угол наклона : [$945$] = 30° .
Вычислить модуль силы N и угол [$946$] этой силы с вертикалью.

Решение: Ось наклонённого кольца образует с вертикалью плоскость наклона. Нарисуем проекцию кольца на эту плоскость наклона.
Фраза Условия "гладкое проволочное кольцо" означает скольжение бусинки вниз по кольцу без потерь на трение. Значит, вся потенциальная энергия бусинки
Ep = m·g·h в результате спуска в нижнюю точку перейдёт в кинетическую энергию Ek = m·V2 / 2
Здесь h = 2·R·sin([$945$]) = R - высота спуска; g = 9,8066 м/с2 - ускорение свободного падения.
Фраза "с пренебрежимо малой скоростью" означает отсутствие начальной скорости движения. Из равенства энергий
m·g·h = m·V2 / 2
вычисляем квадрат скорости бусинки V2 = 2·g·h = 2·g·R

Фраза "кольцо радиуса R" означает, что кольцо имеет форму окружности (не эллипса или проч…).
Таким образом, бусика действует на кольцо двумя силами:
Сила веса бусинки P = m·g направлена вертикально вниз.
Центробежная сила бусинки Fц = m·V2 / R = 2·m·g направлена прочь от центра вращения.

Суммарная сила Fs воздействия бусинки на кольцо равна геометрической сумме сил P и Fц .
Поскольку "Кольцо жёсткое и закреплено неподвижно", значит, сила реакции N кольца полностью компенсирут силу Fs бусинки своим противоположным направлением и таким же модулем.
Сила N "подстраивается" под Fs автоматически так, что бусинка НЕ смещается с круговой орбиты, и поэтому ускорение "a" бусинки есть чисто центростремительное. Его величина
a = Fц / m = V2 / R = 2·g , а направление - к центру вращения, то есть под углом [$945$] = 30° к горизонту.

Для вычисления суммарной силы Fs удобно разложить центробежную силу Fц на ортогональные составляющие Fx и Fy .
Вертикальная составляющая Fy суммируется с весом бусинки алгебраически:
Fys = Fy + P
Затем по Пифагор-геометрии Fs = [$8730$](Fx2 + Fys2)

Вычисления и графо-построения я выполнил в приложении Маткад (ссылка) . Маткад-скриншот прилагаю. Я добавил в него подробные комментарии зелёным цветом.

Ответ: Ускорение бусинки в нижней точке кольца равно a = 2·g [$8776$] 19,6 м/с2 , его вектор направлен к центру оси вращения.
В момент прохождения бусинки нижней точки кольца, кольцо действует на бусинку с силой N = 26,9·m .
Вектор N образует с вертикалью угол [$946$] = 41°.

Дополнительный учебный материал : "Центростремительная и центробежная силы" Ссылка2 .

Учебный видео-ролик "Мотоциклист едет по треку" youtu.be/xbuuEZm5rS8 . Первую треть фильма я отрезал в своей копии (там дурацкие шутки и кривляния). Во второй трети Вы приятно удивитесь Методу репетитора Султанова Алексея Эдвартовича - лауреата Нобелевской премии .
5
Вот самый лучший вы просто! Долго не мог понять как решать, а щас во всем разобрался и понял, спасибо огромное!
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
12.04.2021, 02:11
общий
Адресаты:
Вчера я в Ответе немного напутал обозначения (сильно устал, прошу прощения).
Сегодня я исправил корявки.
давно
Посетитель
404935
15
12.04.2021, 21:42
общий
Вы самый лучший
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
13.04.2021, 01:44
общий
Адресаты:
Наздоровье Вам! Я рад, что мой напряжённый труд оказался полезен для Вас.
Вы уже научились ставить "лайки". Теперь для культурного обращения в ниже-абзаце "Сообщение в мини-форум" найдите поле "Адресат", и на его правой стороне кликните по чёрному треугольничку. В выпадающем меню выберите желаемого получателя Вашего нового сообщения. Потренируйтесь.
давно
Посетитель
404935
15
13.04.2021, 18:09
общий
Адресаты:
Понял, скоро благодаря вам я стану таким культурным и вообще никто не узнает меня
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
14.04.2021, 01:40
общий
Адресаты:
Я буду счастлив, если Вы и всё моё окружение станет культурным и творчески-думающим.
Форма ответа