Задачи › Динамика движения по окружности, конический маятник

Шарик на нитях

  1. Шарик на нитях

    ВсОШ 2016/17, 9 кл.
    4/10

    Небольшой шарик массой \(m\) движется в горизонтальной плоскости по окружности радиуса \(R = 25{,}0~\text{см}\) вокруг вертикальной оси. Шарик удерживают две нити (рис. 1), составляющие с осью вращения углы \(\alpha = 30^\circ\) и \(\beta = 60^\circ\). Найдите значения угловой скорости \(\omega\), при которых силы натяжения нитей отличаются в 2 раза. Ускорение свободного падения \(g = 9{,}81~\text{м/с}^2\).

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Запишите второй закон Ньютона отдельно по горизонтали (центростремительное ускорение) и по вертикали (равновесие) для каждого из двух случаев, какая нить натянута сильнее.

    Ответ

    \(\omega_1 \approx 5{,}7~\text{с}^{-1}\) (верхняя нить натянута сильнее);  \(\omega_2 \approx 6{,}8~\text{с}^{-1}\) (нижняя нить натянута сильнее).

    Решение

    А) Верхняя нить натянута сильнее (\(T_1 = 2T\), \(T_2 = T\)): \[m\omega^2R = 2T\sin\alpha + T\sin\beta, \qquad mg = 2T\cos\alpha + T\cos\beta .\] Отсюда \[\omega_1 = \sqrt{\frac{g}{R}\,\frac{2\sin\alpha + \sin\beta}{2\cos\alpha + \cos\beta}} \approx 0{,}914\sqrt{\frac{g}{R}} \approx 5{,}7~\text{с}^{-1}.\]

    Б) Нижняя нить натянута сильнее (\(T_2 = 2T\), \(T_1 = T\)): \[m\omega^2R = T\sin\alpha + 2T\sin\beta, \qquad mg = T\cos\alpha + 2T\cos\beta .\] Отсюда \[\omega_2 = \sqrt{\frac{g}{R}\,\frac{\sin\alpha + 2\sin\beta}{\cos\alpha + 2\cos\beta}} \approx 1{,}09\sqrt{\frac{g}{R}} \approx 6{,}8~\text{с}^{-1}.\]

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи