Динамика — Задание 22 ЕГЭ по физике №00017525
Динамика
№2. Задание 22
ID: 00017525
Конический маятник представляет собой маленький грузик массой $m = 100$ г, вращающийся с угловой скоростью $\omega_1$ вокруг вертикальной оси на невесомой нерастяжимой нити длиной $l$, составляющей с этой осью угол $\alpha_1 = 60^\circ$ (см. рисунок). Во сколько раз надо увеличить угловую скорость вращения маятника, чтобы нить порвалась, если она выдерживает максимальную силу натяжения, равную $nmg$, где $n = 4$?

Источник: ФИПИ
Решение
Дано
$m = 100$ г $= 0{,}1$ кг
$\alpha_1 = 60^\circ$
$T_{max} = nmg$, $\,n = 4$
Найти: $\dfrac{\omega_2}{\omega_1}$ — во сколько раз увеличить угловую скорость.
Идея
На рисунке грузик бегает по горизонтальному кругу, а нить рисует в воздухе конус (отсюда и название). На грузик действуют всего две силы: тяжесть $mg$ вниз и натяжение нити $T$ вдоль нити к точке подвеса. Никакого равновесия здесь нет — грузик летит по кругу, поэтому равнодействующая этих двух сил не ноль, а направлена строго к центру круга (горизонтально) и играет роль центростремительной силы.
Разложим натяжение на две части: вертикальную и горизонтальную. Вертикальная часть держит вес, горизонтальная — закручивает грузик по кругу.
Решение
Вертикаль (грузик не падает и не взлетает, по вертикали ускорения нет):
$T\cos\alpha = mg \;\Rightarrow\; T = \dfrac{mg}{\cos\alpha}$.
Горизонталь (второй закон Ньютона, ускорение центростремительное $a = \omega^2 r$, а радиус круга $r = l\sin\alpha$):
$T\sin\alpha = m\omega^2 r = m\omega^2 l\sin\alpha \;\Rightarrow\; T = m\omega^2 l$.
Главная мысль: натяжение $T = \dfrac{mg}{\cos\alpha}$ — то есть чем сильнее раскручиваем, тем больше угол $\alpha$, тем меньше $\cos\alpha$ и тем сильнее тянется нить. Нить рвётся, когда $T$ дорастёт до $4mg$.
Начало (угол 60°): $T_1 = \dfrac{mg}{\cos 60^\circ} = \dfrac{mg}{0{,}5} = 2mg$.
Угловую скорость найдём из $T = m\omega^2 l$: $\;\omega_1^2 = \dfrac{T_1}{ml} = \dfrac{2mg}{ml} = \dfrac{2g}{l}$.
Момент разрыва: $T_2 = nmg = 4mg$, тогда $\cos\alpha_2 = \dfrac{mg}{T_2} = \dfrac{1}{4}$.
А угловая скорость: $\;\omega_2^2 = \dfrac{T_2}{ml} = \dfrac{4mg}{ml} = \dfrac{4g}{l}$.
Делим, чтобы найти во сколько раз:
$\dfrac{\omega_2}{\omega_1} = \sqrt{\dfrac{\omega_2^2}{\omega_1^2}} = \sqrt{\dfrac{4g/l}{2g/l}} = \sqrt{2} \approx 1{,}41$.
Ответ
≈ 1,41 раза (в $\sqrt{2}$ раз)
Видеоразбор
Другие задания по теме «Динамика» (8)
- Задание 22 №00043155 — Два груза, связанных нерастяжимой и невесомой нитью, движутся по гладкой…
- Задание 22 №00041311 — С какой силой нужно действовать на тело массой 10 кг, чтобы оно двигалось…
- Задание 22 №00041194 — Телу толчком сообщили скорость, направленную вверх вдоль наклонной плоскости.…
- Задание 22 №00041193 — Тело помещают один раз на наклонную плоскость с углом наклона 30°, а второй раз…
- Задание 22 №00041192 — Брусок массой M равно 300 г соединён с грузом массой m равно 200 г невесомой и…
- Задание 22 №00041191 — Брусок массой M равно 4 кг находится на гладкой горизонтальной поверхности, по…
- Задание 22 №00041155 — На доску массой M равно 15 кг, лежащую на гладкой поверхности, положили брусок…
- Задание 22 №00041154 — Искусственный спутник обращается со скоростью V равно 3,4 км/с по круговой…