Груз на пружине
6/10На конце нерастянутой пружины закрепили груз массой \(m\) и отпустили. В процессе колебаний в некоторый момент времени потенциальная энергия упругой деформации пружины равна \(W_1\), а модуль ускорения груза равен \(a_1\). Через некоторое время энергия пружины стала равна \(W_2\), а модуль ускорения груза равен \(a_2\). Известно, что \(W_2 = 25W_1\), а \(a_2 = a_1/2\). Определите модуль и направление ускорений \(\vec a_1\) и \(\vec a_2\). Затухание колебаний не учитывать.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаЭнергия пружины \(W = F^2/(2k)\), где \(F\) — сила упругости. Какие направления ускорений возможны для силы упругости и силы тяжести разного знака?
ОтветЛибо оба ускорения направлены вниз, причём \(a_2 = \dfrac{4}{9}g\), \(a_1 = \dfrac{8}{9}g\); либо \(\vec a_1\) направлено вниз, \(\vec a_2\) — вверх, причём \(a_2 = \dfrac{4}{11}g\), \(a_1 = \dfrac{8}{11}g\).
РешениеПотенциальная энергия пружины \(W = \dfrac{F^2}{2k}\), откуда \(F = \sqrt{2kW}\). При \(W_2 = 25W_1\) получаем \(F_2 = 5F_1 = 5F\). Так как колебания происходят из нерастянутого положения, то пружина всегда деформирована, а модуль ускорения груза меньше \(g\). Обозначим \(a_2 = a > 0\), тогда \(a_1 = 2a\). Рассмотрим четыре случая направлений ускорений.
1) Оба ускорения вверх: \(F - mg = 2ma\), \(5F - mg = ma\). Отсюда \(4mg = -9ma\), \(a < 0\) — посторонний корень.
2) Оба ускорения вниз: \(mg - F = 2ma\), \(mg - 5F = ma\). Отсюда \(4mg = 9ma\), то есть \(a_2 = \dfrac{4}{9}g\), \(a_1 = \dfrac{8}{9}g\).
3) Первое вверх, второе вниз: \(F - mg = 2ma\), \(mg - 5F = ma\). Отсюда \(-4mg = 11ma\), \(a < 0\) — посторонний корень.
4) Первое вниз, второе вверх: \(mg - F = 2ma\), \(5F - mg = ma\). Отсюда \(4mg = 11ma\), то есть \(a_2 = \dfrac{4}{11}g\) (вверх), \(a_1 = \dfrac{8}{11}g\) (вниз).
Похожие задачи
- Отрыв массы от груза на пружине «Шаг в будущее» 2009/10, 11 кл.
- Ползущая пружина ВсОШ 2013/14, 11 кл.
- Пружины и гири Интернет-олимпиада 2019/20, 8 кл.
- Пружины и гири Интернет-олимпиада 2019/20, 9 кл.
- Колесико на пружине Ведомственная 2019/20, 11 кл.
- Гиря на пружине в лифте Физтех 2023/24, 11 кл.