Новый асфальт
На определённом участке шоссе уложен слой нового асфальта. Слой нового асфальта обрывается резким и острым краем; как на новом, так и на старом участке дорога гладкая и горизонтальная, но новая часть немного выше. Автомобиль съезжает с нового асфальта на старый. Какой должна быть скорость четырёхколёсного легкового автомобиля, чтобы колёса ни разу не теряли контакт с асфальтом? Полная масса автомобиля (без колёс) \(M=1500\) кг, полная масса каждого колеса (включая шину, диск, подшипники и т. д.) \(m=40\) кг, радиус колеса \(R=35\) см. Полагайте, что: (a) каждое колесо прикреплено к кузову с помощью пружины так, что масса \(M\) опирается на четыре пружины; (b) толщина нового слоя асфальта намного меньше как радиуса колёс, так и деформации пружин; (c) центр масс автомобиля находится на равном расстоянии от каждого колеса. Ускорение свободного падения \(g=9{,}8\) м/с\(^2\). (10 баллов)
▶ПодсказкаСкрыть: подсказка
ПодсказкаЕсли колесо не теряет контакт с краем, его центр сразу после съезда движется по дуге окружности радиуса \(R\). Для такого движения нужно центростремительное ускорение, которое создают сила тяжести и сила пружины (она не успевает измениться и остаётся равной \(Mg/4\)).
▶ОтветСкрыть: ответ
Ответ\(v\le\sqrt{Rg\,(1+M/4m)}\approx 6\) м/с \(\approx 21\) км/ч.
▶РешениеСкрыть: решение
РешениеЧтобы колесо не поднималось в воздух, действующая на него сила пружины и сила тяжести должны давать в сумме необходимое центростремительное ускорение \(a=v^2/R\) (если колесо не теряет контакта, то траекторией его центра является окружность радиуса \(R\)). Каждая пружина удерживает четверть массы автомобиля, поэтому каждая пружина действует силой \(Mg/4\), и получаем условие \[\Bigl(m+\frac M4\Bigr)g\ \ge\ \frac{mv^2}{R},\] откуда \[v\le\sqrt{Rg\Bigl(1+\frac M{4m}\Bigr)}\approx 6\text{ м/с}\approx 21\text{ км/ч}.\]
Прочитали решение — спросите себя, как можно было до этого додуматься. А через день-два решите задачу заново, не подглядывая.
Похожие задачи
- Конический маятник МОШ 2012/13, отборочный этап, 10 кл.
- Монетка на виниловом диске Курчатов 2013/14, заключительный этап, 10 кл.
- Мотоциклист в сфере Ведомственная 2013/14, отборочный этап, 11 кл.
- Автомобиль на выпуклом мосту Физтех 2015/16, заключительный этап, 9 кл.
- Шарик по окружности на нити МОШ 2015/16, отборочный этап, 10 кл.
- Радиус поворота истребителя Ведомственная 2016/17, заключительный этап, 11 кл.