Яан Калда. Механика · раздел книги

Калда, механика: задача 22

Условие

Скользкий цилиндр радиуса \(R\) наклонён так, что его ось составляет угол \(\alpha\) с горизонтом. К самой высокой точке \(P\) некоторого его поперечного сечения прикреплена нить длины \(L\), другой её конец привязан к грузу массы \(m\). Нить принимает равновесное положение; какова длина \(l\) той её части, которая не касается цилиндра? Груз смещают из положения равновесия так, что вектор смещения параллелен вертикальной плоскости, содержащей ось цилиндра; каков период малых колебаний?

Рисунок 20

▶РешениеСкрыть

Рассмотрим вертикальную плоскость, параллельную свободно висящей части нити.

Рисунок 23

Сдвинем эту плоскость до касания с точкой, где цилиндр и нить впервые встречаются. Назовём эту точку \(Q\); здесь мы разворачиваем половину цилиндра в прямоугольник шириной \(\pi R\). Угол между \(PQ\) и шириной прямоугольника равен \(\alpha\), так что \[PQ = \frac{\pi R}{2\cos\alpha},\] и потому \[\boxed{\ell = L-\frac{\pi R}{2\cos\alpha}}.\] Когда груз колеблется, след нити на развёрнутом цилиндре по-прежнему остаётся прямым. Поэтому длина висящей нити (а значит, и потенциальная энергия груза) ни в каком колебательном состоянии не зависит от того, действительно ли поверхность цилиндрическая или она развёрнута в плоскую вертикальную поверхность. Поэтому период колебаний по-прежнему равен \[\boxed{T = 2\pi\sqrt{L/g}}.\]

Следующая задача 23 →