Задачи › Сила трения: покой и проскальзывание

Шайба и лунка между бортиками

  1. Шайба и лунка между бортиками

    СПбГУ 2023/24, 9 кл.
    6/10

    На горизонтальной поверхности закреплены два гладких параллельных бортика, расстояние между ними равно \(L\). Посередине между ними на расстоянии \(H\) друг от друга расположены шайба (Ш) и лунка (Л). По шайбе ударяют, сообщая ей скорость \(v_0\) в направлении к одному из бортов под углом \(\alpha\). Определите минимальное значение угла \(\alpha\), при котором шайба попадет в лунку. Размерами шайбы и лунки можно пренебречь. Шайба отскакивает от бортиков абсолютно упруго. Коэффициент трения шайбы о горизонтальную поверхность равен \(\mu\).

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Упругое отражение от борта сохраняет модуль скорости. Отражения можно «развернуть»: движение с отскоками становится прямолинейным в зеркально отражённых копиях полосы между бортиками. Трение даёт путь до остановки \(l_{\max} = v_0^2/(2\mu g)\).

    Ответ

    \(\alpha_{\min} = \operatorname{arctg}\dfrac{H}{n_{\max}L}\), где \(n_{\max}\) — наибольшее число отражений, при котором шайба ещё доходит до лунки; если не округлять \(n_{\max}\) до целого, \(\alpha_{\min} = \operatorname{arctg}\dfrac{H}{\sqrt{(v_0^2/(2\mu g))^2 - H^2}}\).

    Решение

    Сила трения \(F_{\text{тр}} = \mu m g\), ускорение \(a = -\mu g\), движение равнозамедленное. Путь до остановки \(l_{\max} = v_0^2/(2\mu g)\). Отражения от бортиков упругие, поэтому после каждого из них модуль скорости сохраняется. Отражения учитываем зеркальной разверткой полосы: шайба движется по прямой до точки Л', лежащей в \(n\)-й зеркальной копии полосы. Условия: \[\sin\alpha = \frac{H}{l}, \qquad \cos\alpha = \frac{nL}{l},\] откуда \(n = \dfrac{\sqrt{l^2 - H^2}}{L}\). Наибольшее \(n\) (целая часть величины) даёт минимальный угол \(\alpha_{\min} = \operatorname{arctg}\dfrac{H}{n_{\max}L} = \operatorname{arctg}\dfrac{H}{\sqrt{(v_0^2/(2\mu g))^2 - H^2}}\).

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи