Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
1
Добавлен:
26.02.2023
Размер:
503.69 Кб
Скачать
(1.26)
– угловое

где h – высота тела над уровнем, принятым за нулевой (имеется при

 

этом в виду, что h<<R, где R – радиус Земли).

 

19.

Закон сохранения механической энергии:

 

 

E EК EП const ,

(1.22)

где E – полная энергия изолированной системы.

 

20.

Работа постоянной силы:

 

 

A FS cos ,

(1.23)

где S – перемещение тела под действием силы F, α – угол между

направлением силы и направлением перемещения.

 

21.

Связь работы сил, действующих на тело, и кинетической энергии тела:

 

A E E2 E1 ,

(1.24)

где E – изменение полной энергии системы под действием внешних сил.

Вращательное движение

22.Модуль момента силы относительно неподвижной точки О:

M rF sin ,

(1.25)

где r – модуль радиус-вектора, проведенного из точки О, через которую проходит ось вращения в точку приложения силы F; α – угол между радиусвектором и вектором силы. Направление вектора момента силы совпадает с направлением поступательного движения правового винта при его вращении

от к .

r F

23.Основной закон динамики вращательного движения:

M J ,

где J – момент инерции тела относительно оси вращения, ускорение.

24.Момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс для:

полого цилиндра (обруча) радиусом R

J mR2 ;

(1.27)

сплошного цилиндра (диска) радиусом R

J

1

mR2 ;

(1.28)

2

 

 

 

 

 

прямого тонкого стержня длиной l

J

 

1

ml2 ;

(1.29)

12

 

 

 

шара радиусом R

J

2

mR2 .

(1.30)

 

 

5

 

 

 

25.Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси:

EК J 2 2 ,

где ω – угловая скорость.

26.Кинетическая энергия катящегося тела:

EК m 2 J 2 .

2 2

Примеры решения задач по теме №1

(1.31)

(1.32)

Пример 1.1. Самолет движется со скоростью 18 км/ч. С некоторого момента он начинает двигаться с ускорением a в течение 10 с, а последние 110 м проходит за одну секунду. Определить ускорение и конечную скорость самолета.

Дано: 0 =18 км/ч=5м/с, t1=10 с,

t2=1 с, S2=110 м.

Найти: a, 1

Решение

Весь путь, проделанный самолетом, делится на два S1 и S2 (рис.1).

Рис. 1.

Запишем для двух этих участков уравнения движения:

S

 

 

t

 

 

at12

 

;

1

1

 

 

0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2

t2

 

at 2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

изаконы изменения скорости:

0 a t1 ;

1 a t2 .

Подставим (1.1.3) в (1.1.2):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a t 2

S

 

(

 

a t

 

) t

 

 

2

 

 

t

 

at

 

t

 

 

 

 

 

2

2

0

1

2

2

0

2

1

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выразим a:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

S2 0 t2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

t

 

 

t22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1.4)

 

 

t

 

a( t

 

t

 

 

t22

) . (1.1.5)

0

2

1

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1.6)

Подставим в (1.1.6) числовые данные:

a 110 м 5м / с 1с 10 м / с2 .( 1с )2

10с 1с

2

Теперь подставим (1.1.3) в (1.1.4) и вычислим конечную скорость:

1 0 a t1 a t2 0 a ( t1 t2 ) 5м / с 10м / с2 ( 10с 1с ) 115м / с .

Ответ: ускорение самолета a=10м/с2, конечная скорость самолета 1

=115м/с.

Пример 1.2. Колесо вращается с частотой 180об/мин. С некоторого момента колесо начинает вращаться равнозамедленно с угловым ускорением 3 рад/с2. Через какое время колесо остановится? Найти число оборотов колеса до остановки.

Дано: ν = 180об/мин=3об/с,

ε = 3 рад/с2.

Найти: t, n.

Решение

Запишем уравнение движения тела, совершающего равноускоренное, вращательное движение:

0 t

t 2

(1.2.1)

2

 

 

 

и закон изменения скорости

 

 

 

0 t .

(1.2.2)

Здесь Δφ – угол поворота тела за время t, ω0

и ω – угловая скорость тела в

начальный момент времени и в

момент

времени t соответственно,

ε – угловое ускорение.

 

 

 

Угол поворота Δφ связан с числом оборотов n соотношением:

2 n .

(1.2.3)

Начальную угловую скорость ω0 найдем из соотношения:

0

2 .

(1.2.4)

С учетом (1.2.3) и (1.2.4), а также с учетом того, что колесо движется равнозамедленно, перепишем (1.2.1):

2 n 2 t

t 2

(1.2.5)

.

 

2

 

Из уравнения (1.2.2) найдем время до остановки колеса, т.е. время, когда угловая скорость ω стала равна нулю:

0

 

t t 0

 

2

.

(1.2.6)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем время t:

 

 

 

 

 

 

 

t

2 3,14 3об / с

6 ,28с .

 

 

 

 

 

 

3 рад / с2

 

 

 

 

 

Теперь подставим (1.2.6) в (1.2.5):

Кинетическая энергия системы до удара:

 

 

 

(

2

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

( 2 )2

 

( 2 )2

 

( 2 )2

 

 

2 n 2

 

 

 

 

 

.

(1.2.7)

 

 

2

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выразим из (1.2.7) число оборотов n и подставим числовые данные:

n

( 2 )2

 

2 2

 

2 3,14 ( 3об / с )2

9,4оборота .

2 2

2

2 3 рад / с 2

 

 

 

 

Ответ: колесо остановится через 6,28 с; число оборотов n=9,4 оборота.

Пример 1.3. Шар массой 2 кг, движущийся горизонтально со скоростью 1 =4 м/с, столкнулся с неподвижным шаром массой 3 кг. Считая удар центральным и абсолютно неупругим, найти количество теплоты, выделившееся при ударе.

Дано: m1 = 2 кг, m2 = 3 кг,

1 = 4 м/с,

2 = 0 м/с.

Найти: Q.

Решение

Запишем закон сохранения импульса:

 

m1 1 m2 2 m1 u1 m2 u2 .

(1.3.1)

Здесь 1

и 2 – скорости первого и второго шаров до удара соответственно,

u1 и u2 – скорости первого и второго шаров после удара соответственно. После неупругого столкновения тела движутся с одинаковой скоростью,

поэтому

u1 = u2 = u. Запишем проекцию уравнения (1.3.1) на

направление движения шаров с учетом того, что 2 =0 м/с:

 

 

m1 1 ( m1 m2 )u .

(1.3.2)

При неупругом ударе закон сохранения энергии не выполняется. Разность между энергией системы до удара (ЕК1) и энергией после удара (ЕК2) равна количеству теплоты, выделившемуся при ударе:

Q EК 1 EК 2 .

(1.3.3)

m 2

EК 1 1 1 .

2

Кинетическая энергия системы после удара:

EК 2 ( m1 m2 )u 2 . 2

Выразим из (1.3.2) u и подставим в (1.3.5):

 

 

 

( m m

2

)

m

 

 

2

( m

)2

 

 

E

 

 

1

 

 

1 1

 

 

1 1

 

 

 

.

К 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

m m

 

 

 

2( m m

 

)

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

1

 

 

С учетом (1.3.4) и (1.3.6) вычислим количество теплоты Q:

(1.3.4)

(1.3.5)

(1.3.6)

 

m 2

 

( m

)2

 

 

2кг ( 4 м / с )2

( 2кг 4 м / с )2

Q

1 1

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

9,6 Дж .

 

2( m m

 

 

 

 

 

2

 

2

)

2

 

2( 2кг 3кг )

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: количество теплоты, выделившееся при ударе Q=9,6 Дж.

Пример 1.4. На барабан радиусом 0,5 м намотан шнур, к концу которого привязан груз массой 12 кг. Найти момент инерции барабана, если груз опускается с ускорением 1,81 м/с2. Барабан считать однородным цилиндром. Трением пренебречь.

Дано: R=0,5м,

m=12 кг, a=1,81 м/с2.

Найти: J.

Решение

О

R

T α

T

Рис. 2

Запишем основной закон динамики вращательного движения:

 

M J .

(1.4.1)

Здесь J – момент инерции цилиндра относительно оси вращения, проходящей через центр масс, ε – угловое ускорение (ускорение вращательного движения), M – момент силы, заставляющей барабан вращаться. Такой силой является сила натяжения шнура Т.

Модуль момента силы равен:

 

M RT sin .

(1.4.2)

Из рис. 2 видно, что α=900, поэтому:

 

M RT .

(1.4.3)

Угловое ускорение ε связано с линейным ускорением a соотношением:

 

a

,

(1.4.4)

 

 

R

 

где R – радиус барабана.

 

С учетом (1.4.3) и (1.4.4) перепишем (1.4.1) в скалярном виде (вектор М и вектор ε направлены в одну сторону):

RT J

a

.

(1.4.5)

 

 

R

 

Выразим из (1.4.5) J:

J

RT

 

R2T

.

(1.4.6)

 

 

 

a / R

 

a

 

Силу натяжения шнура Т найдем из второго закона Ньютона, записанного для поступательно движущегося груза (рис. 2):

ma mg T .

(1.4.7)

Сила натяжения шнура, вращающая барабан и сила, действующая на груз, равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Проекция уравнения (1.4.7) на ось OY имеет вид:

ma mg T .

(1.4.8)

Выразим из (1.4.8) Т и подставим полученное выражение в (1.4.6):

J

R2 m

( g a ).

(1.4.9)

a

 

 

 

Проверим размерность:

Jм2 кг ( м / с2 м / с2 ) м2 кг .

м/ с2

Подставим в (1.4.9) числовые данные:

J 0,52 12 ( 9,81 1,81) 12м2 кг . 2

Ответ: момент инерции барабана J=12 м2кг.

Пример 1.5. Шар массой 0,25 кг и радиусом 3 см катится без скольжения по горизонтальной плоскости с частотой вращения 4 об/с. Найти кинетическую энергию шара.

Дано: m=0,25 кг,

R=3 см=3∙10-2 м, ν= 4 об/с.

Найти: EК.

Решение

Кинетическая энергия шара, который катится по горизонтальной плоскости без скольжения, складывается из энергии поступательного и вращательного движения:

E

 

 

m 2

 

J 2

 

К

 

 

,

(1.5.1)

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где m – масса шара, – линейная скорость (скорость поступательного движения), J – момент инерции шара относительно оси вращения, проходящей через центр масс, ω – угловая скорость (скорость вращательного движения).

Известно, что для шара радиусом R

J

2

mR2 .

(1.5.2)

5

 

 

 

Угловая скорость ω связана с линейной скоростью соотношением:

 

 

,

(1.5.3)

 

R

 

 

а с линейной частотой ν соотношением

 

 

 

2 .

(1.5.4)

Подставим (1.5.2), (1.5.3) и (1.5.4) в (1.5.1) и сделаем необходимые преобразования:

 

 

 

 

 

 

2

mR2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m( R )2

 

 

 

 

 

7

 

7

 

E

 

 

5

 

mR2 2

mR2 ( 2 )2 . (1.5.5)

К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

10

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим в (1.5.5) числовые данные:

 

 

 

 

 

 

E

7

0,25 ( 3 10 2 )2

( 2 3,14 4 )2

0,1Дж .

К 10

Ответ: кинетическая энергия шара ЕК=0,1 Дж.

Задачи по теме №1

1.Поезд прошел расстояние 17 км между двумя станциями со средней скоростью 60 км/ч. При этом на разгон в начале движения и торможения перед остановкой ушло в общей сложности 4 мин, а остальное время поезд двигался с постоянной скоростью. Чему равна эта скорость?

2.При аварийном торможении автомобиль, движущийся со скоростью 72 км/ч, остановился через 5 с. Найти тормозной путь.

3.Вертикально вверх с начальной скоростью 20 м/с брошен камень. Через 1 с после этого брошен вертикально вверх другой камень с такой же

скоростью. На какой высоте встретятся камни?

4.Лыжник съехал с горы длиной 40 м за 10 с, после чего он проехал по горизонтальной площадке до остановки 20 м. Считая движение с горы равноускоренным без начальной скорости, а по горизонтальной площадке равнозамедленным, найти скорость лыжника в конце горы и среднюю скорость на всем пути.

5.При равноускоренном движении мотоциклист за первые 5 с прошел путь

в45 м, а в следующие 5 с – путь в 95 м. Найти начальную и среднюю скорости мотоциклиста.

6.Материальная точка начинает двигаться по окружности радиусом 12,5 см

спостоянным тангенциальным ускорением 0,5 см/с2. Определить момент

времени, при котором вектор ускорения образует с вектором скорости угол 450.

7.Точка движется по окружности радиуса 20 см с постоянным тангенциальным ускорением 5 м/с2. Через какое время после начала движения нормальное ускорение точки будет равно тангенциальному?

8.По дуге окружности радиусом 10 м движется точка. В некоторый момент времени нормальное ускорение точки 4,9 м/с2; в этот момент векторы полного и нормального ускорений образуют угол 600. Найти скорость и тангенциальное ускорение точки.

9.Колесо начинает вращаться из состояния покоя и через 1,5 с достигает угловой скорости 20 рад/с. На какой угол оно повернулось за указанное время?

10.Колесо, вращаясь равноускоренно, достигло угловой скорости 20 рад/с через 10 оборотов после начала вращения. Найти угловое ускорение колеса.

11.Снаряд вылетает из ствола орудия, установленного на высоте 122,5 м, со скоростью 400 м/с в горизонтальном направлении. Определить время полета снаряда. Поразит ли снаряд одну из целей, расположенных на расстоянии 2 км и 5,8 км от орудия (по горизонтали) в направлении полета снаряда? Сопротивлением воздуха пренебречь.

12.Камень брошен с вышки со скоростью 29,4 м/с в горизонтальном направлении. Найти радиус кривизны траектории камня в точке, где он будет через 4 с после начала движения.

13.Камень брошен горизонтально. Через 3 с его скорость оказалась направленной под углом 450 к горизонту. Определить начальную скорость камня.

14.Под углом 600 к горизонту брошено тело с начальной скоростью 20 м/с. Через какой промежуток времени оно будет двигаться под углом 450 к горизонту.

15.Дальность полета тела, брошенного горизонтально со скоростью 4,9 м/с, равна высоте бросания. Под каким углом к горизонту направлена скорость тела в момент его падения на землю?

16.Мяч брошен со скоростью υ0 под углом α к горизонту. Найти υ0 и α, если максимальная высота подъема мяча 3 м, а радиус кривизны траектории мяча в этой точке 3 м.

17.Камень брошен с вышки в горизонтальном направлении. Через промежуток времени 2 с камень упал на землю на расстоянии 40 м от основания вышки. Определить начальную и конечную скорости камня.

18.Камень, брошенный горизонтально на высоте 6 м, упал на землю на расстоянии 10 м от точки бросания. Найдите начальную скорость камня, нормальное и тангенциальное ускорение камня через время 0,2 с после начала движения.

19.Через какое время вектор скорости тела, брошенного под углом 60 к

горизонту с начальной скоростью 20 м/с, будет составлять с горизонтом угол 30 ? Сопротивление воздуха не учитывать.

20.С башни высотой 30 м в горизонтальном направлении брошено тело с начальной скоростью 10 м/с. Определить скорость тела в момент падения на землю и угол, который образует эта скорость с горизонтом в точке его падения.

21.В шахту равноускоренно опускается бадья массой 280 кг. В первые 10 с она проходит 35 м. Найти силу натяжения каната, на котором висит бадья.

22.Поезд весом 8 МН идет со скоростью 72 км/ч. Через сколько времени после прекращения тяги паровоза он остановится под влиянием силы трения в 117,6

кН?

23.Стальная проволока выдерживает груз до 5000 Н. С каким наибольшем ускорением можно поднимать груз в 4500 Н, подвешенный на этой проволоке, чтобы она не разорвалась?

24.Под действием какой силы при прямолинейном движении тела изменение координаты x со временем происходит по закону: x = 10t - 20t2, где x – в метрах, t – в секундах? Масса тела 5 кг.

25.С каким ускорением нужно поднимать гирю, чтобы ее вес увеличился вдвое? С каким ускорением нужно ее опускать, чтобы вес уменьшился вдвое?

26.По наклонной плоскости высотой 0,5 м и длиной склона 1 м скользит тело массой 3 кг. Тело приходит к основанию наклонной плоскости со скоростью 2,45 м/с. Найти коэффициент трения тела о плоскость. Начальная скорость равна нулю.

27.Камень, пущенный по поверхности льда со скоростью 3 м/с, прошел до остановки расстояние 20,4 м. Найти коэффициент трения камня о лед.

28.Тело скользит по наклонной плоскости, образующей с горизонтом угол 450. Пройдя путь 36,4 см, тело приобретает скорость 2 м/с. Найти коэффициент трения тела о плоскость.

29.На столе стоит тележка массой 4 кг. К тележке привязан один конец шнура, перекинутого через блок. С каким ускорением будет двигаться тележка, если к другому концу шнура привязать гирю массой 1 кг?

30.Стальная проволока выдерживает груз до 5000 Н. С каким наибольшем ускорением можно поднимать груз в 4500 Н, подвешенный на этой проволоке, чтобы она не разорвалась?

31.Шар массой 2 кг движется со скоростью 3 м/с и сталкивается с шаром массой 1 кг, движущимся ему навстречу со скоростью 4 м/с. Определить скорость шаров после прямого центрального абсолютно упругого удара.

32.Два абсолютно неупругих шара, имеющих массы 15 г и 10 г, двигались навстречу друг другу со скоростями, модули которых 0,6 м/с и 0,4 м/с соответственно. Найти их скорость после столкновения и потерю кинетической энергии при ударе.

33.Снаряд массой 20 кг, летевший со скоростью, направленной под углом 300 к горизонту, попадает в платформу с песком массой 104 кг и застревает в песке. С какой скоростью летел снаряд, если платформа начинает двигаться со скоростью 1 м/с?

34.Камень массой 400 г бросили со скоростью 20 м/с в горизонтальном направлении с башни, высота которой 50 м. Найти потенциальную и кинетическую энергии камня через 2 с после начала его движения.

35.Вагон массой 40 т движется на упор со скоростью 0,1 м/с. При полном торможении вагона буферные пружины сжимаются на 10 см. Определить максимальную силу сжатия буферных пружин и продолжительность торможения.

36.Лодка массой 150 кг и длиной 2,8 м стоит неподвижно в стоячей воде. Рыбак массой 90 кг в лодке переходит с носа на корму. Пренебрегая

сопротивлением воды, определить на какое расстояние s при этом сдвинется лодка.

37.Тело массой 2 кг движется со скоростью 3 м/с и нагоняет второе тело массой 3 кг, движущееся со скоростью 1 м/с. Каково должно быть соотношение между массами тел, чтобы при упругом ударе первое тело после удара остановилось?

38.Два шара массами 9 кг и 12 кг подвешены на нитях длиной 1,5 м.

Первоначально шары соприкасаются между собой, затем меньший шар отклонили на угол 0 и отпустили. Считая удар неупругим, определить высоту на которую поднимутся оба шара после удара.

39.Тело массой 2 кг движется навстречу второму телу массой 1,5 кг и абсолютно неупруго соударяется с ним. Скорости тел непосредственно перед ударом были 1 м/с и 2 м/с. Какое время будут двигаться эти тела после удара, если коэффициент трения 0,05?

40.Молекула массой 4,65 10 26 кг, летящая нормально к стенке сосуда со скоростью 600 м/с, ударяется о стенку и упруго отталкивается от нее без потери скорости. Найти импульс силы, полученный стенкой за время удара.

41.Пружина жесткостью 103 Н/м была сжата на 5 см. Какую нужно совершить работу, чтобы сжатие пружины увеличить до 15 см?

42.Автомобиль массой 2 т затормозил и остановился, пройдя путь 50 м. Найти работу силы трения, если дорога горизонтальна и коэффициент трения равен 0,4.

43.Автомобиль массой 2 т движется в гору. Уклон горы равен 4 м на каждые 100 м пути. Коэффициент трения равен 0,08. Найти работу, совершенную двигателем автомобиля на пути 3 км.

44.Найти, какую мощность развивает двигатель автомобиля массой 1 т, если известно, что автомобиль едет с постоянной скоростью 36 км/ч по горизонтальной дороге.

45.Автомобиль массой 10 т движется под уклон по дороге, составляющей с горизонтом угол, равный 40. Найти работу силы тяжести на пути 100 м.

46.Гиря, положенная на верхний конец спиральной пружины, сжимает ее на 2 мм. На сколько сожмет пружину та же гиря, упавшая на конец пружины с высоты 5 см?

47.Молот массой 70 кг падает с высоты 5 м и ударяет по железному изделию, лежащему на наковальне. Масса наковальни вместе с изделием 1330 кг. Считая удар абсолютно неупругим, определить энергию, расходуемую на деформацию изделия.

48.Определить работу, совершаемую человеком при поднятии груза массой 2 кг на высоту 1 м с ускорением 3 м/с2.

49.Определить КПД наклонной плоскости длиной 1 м и высотой 0,6 м, если коэффициент трения при движении по ней тела равен 0,1.

50.Определить полезную мощность при разбеге самолета массой 1 т. длина разбега 300 м, взлетная скорость 30 м/с, коэффициент сопротивления

0,03.

Соседние файлы в папке новая папка 1