Задачи › Динамика качения

Обруч: проскальзывание и качение

  1. Обруч: проскальзывание и качение

    Физтех 2023/24, 11 кл.
    7/10

    Из жёсткой однородной проволоки длины \(0{,}2\text{ м}\) изготовлен обруч. В первом опыте обруч кладут на шероховатую горизонтальную поверхность и ударом приводят в поступательное движение с некоторой горизонтальной скоростью. В процессе движения от старта до остановки перемещение каждой точки обруча равно \(0{,}8\text{ м}\). Во втором опыте (см. рис.) обруч устанавливают в вертикальной плоскости и ударом приводят в поступательное движение: в начальный момент все точки обруча движутся с той же горизонтальной скоростью, что и в первом опыте. Известно, что в процессе скольжения угловое ускорение постоянно и равно \(\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t} = \dfrac{a}{R}\), здесь \(a\) — модуль ускорения центра масс обруча. Какое число оборотов в системе центра масс совершит обруч к тому моменту времени, когда движение обруча перейдёт в качение без проскальзывания? Ответ приведите с точностью до целых. Коэффициент трения скольжения обруча по горизонтальной поверхности одинаков во всех точках этой поверхности.

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    При скольжении сумма \(v + \omega R\) сохраняется; переход в качение происходит, когда \(v = \omega R\).

    Ответ

    \(1\).

    Решение

    В первом опыте перемещение до остановки \(S = \dfrac{v_0^2}{2\mu g}\). Во втором опыте \(\dfrac{\Delta v}{\Delta t} = -\mu g\), \(\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}R = \mu g\), поэтому в процессе качения с проскальзыванием \(v + \omega R = v_0\). В момент перехода в качение без проскальзывания \(v = \omega R = 0{,}5\,v_0\); это происходит через время \(T = \dfrac{0{,}5\,v_0}{\mu g}\) после старта. К этому моменту угол поворота \(\varphi = \dfrac12\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}T^2\), и число оборотов \[N = \frac{\varphi}{2\pi} = \frac{v_0^2}{16\pi\mu g R} = \frac{S}{4L} = \frac{0{,}8}{4\cdot 0{,}2} = 1,\] где \(L = 2\pi R\) — длина проволоки.

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи