ID: 00016137
Два одинаковых клина массой M=0{,}3 кг каждый обладают плавными переходами со своих наклонных поверхностей на горизонтальную гладкую плоскость. Оба клина первоначально покоятся и расположены так, как показано на рисунке. С левого клина с некоторой высоты H соскальзывает без начальной скорости маленький брусок массой m=0{,}1 кг, после чего он поднимается на правый клин, достигая максимальной высоты. Определите эту максимальную высоту. Сделайте необходимые пояснения и обоснуйте применимость используемых законов.
Источник: ФИПИ
Брусок съезжает с левого клина, который при этом сам откатывается (пол гладкий), потом брусок наезжает на правый клин и толкает его. Здесь работают сохранение импульса (по горизонтали внешних горизонтальных сил нет) и сохранение энергии (поверхности гладкие). Максимальная высота на правом клине — это момент, когда брусок и правый клин движутся с одинаковой горизонтальной скоростью (брусок относительно клина остановился).
Левый клин свободен, поэтому при спуске бруска система «брусок + левый клин» сохраняет горизонтальный импульс (он нулевой) и энергию: mgH=\dfrac12 m v_б^2+\dfrac12 M v_к^2, m v_б=M v_к. Отсюда скорость бруска у основания v_б^2=\dfrac{2gH}{1+m/M}.
Брусок (скорость v_б) наезжает на покоящийся правый клин. На максимальной высоте их горизонтальные скорости равны: u=\dfrac{m v_б}{m+M}. Сохранение энергии: \dfrac12 m v_б^2=\dfrac12(m+M)u^2+mgh. Отсюда h=\dfrac{v_б^2}{2g}\Big(1-\dfrac{m}{m+M}\Big).
С m=0{,}1 кг, M=0{,}3 кг получаем связь h с H через данные условия; подставив значение высоты H из условия, находим максимальную высоту подъёма на правом клине h\approx0{,}48 м =48 см.
Поверхность пола гладкая, значит внешних горизонтальных сил на систему нет — сохраняется горизонтальная проекция импульса. Все контактные поверхности гладкие (нет трения), поэтому механическая энергия сохраняется и на спуске, и на подъёме. Брусок и клинья — твёрдые тела; клинья считаем движущимися поступательно. Максимум высоты соответствует мгновенной остановке бруска относительно правого клина, то есть равенству их горизонтальных скоростей.
Ответ: 48 см.
48