ID: 00017527
Наклонная плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью по прямой AB. Угол между плоскостями \varphi = 30^\circ. Маленькая шайба скользит вверх по наклонной плоскости из точки A с начальной скоростью v_0 = 2 м/с, направленной под углом \alpha = 60^\circ к прямой AB (см. рисунок). Найдите максимальное расстояние, на которое шайба удалится от горизонтальной плоскости в ходе подъёма по наклонной плоскости. Трением между шайбой и наклонной плоскостью пренебречь.

Источник: ФИПИ
\varphi = 30^\circ — угол между плоскостями
v_0 = 2 м/с — начальная скорость
\alpha = 60^\circ — угол скорости к линии AB
трения нет, g = 10 м/с²
Найти: H — максимальное удаление шайбы от горизонтальной плоскости (высоту над ней).
Хитрость в том, что шайба всё время едет по наклонной плоскости — никуда из неё не выпрыгивает. Поэтому удобно «лечь на наклонную плоскость» и смотреть на движение прямо на ней, как на обычном столе. На этом наклонном «столе» у нас плоское движение: шайба стартует от линии AB под углом 60^\circ к ней.
Но «стол» наклонён, поэтому вдоль самой наклонной плоскости работает не вся тяжесть, а только её скатывающая часть g\sin\varphi — она тянет шайбу обратно вниз к линии AB (перпендикулярно AB, вдоль ската). Получается ровно как брошенный на столе предмет: вдоль AB скорость не меняется, а поперёк (вверх по скату) шайба тормозит и поворачивает обратно — настоящее «движение как у тела, брошенного под углом», только на наклонной плоскости.
Шаг 1. Разложим начальную скорость прямо на наклонной плоскости.
Вдоль линии AB: v_{\parallel} = v_0\cos\alpha = 2\cos 60^\circ = 2 \cdot 0{,}5 = 1 м/с (эта составляющая постоянна, вдоль AB сил нет).
Поперёк AB, вверх по скату: v_{\perp} = v_0\sin\alpha = 2\sin 60^\circ = 2 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{3} \approx 1{,}73 м/с.
Шаг 2. Скатывающее ускорение.
Вдоль ската на шайбу действует только часть тяжести: a = g\sin\varphi = 10 \cdot \sin 30^\circ = 10 \cdot 0{,}5 = 5 м/с². Оно направлено вниз по скату — тормозит подъём.
Шаг 3. Как далеко шайба заберётся вверх по скату.
Это как камень, брошенный вверх: поднимается, пока поперечная скорость не станет нулём. Путь вверх по скату:
S = \dfrac{v_{\perp}^2}{2a} = \dfrac{(\sqrt{3})^2}{2 \cdot 5} = \dfrac{3}{10} = 0{,}3 м.
Это длина по самой наклонной плоскости, считая от линии AB до самой верхней точки траектории.
Шаг 4. Переводим в высоту над горизонтальной плоскостью.
Вопрос просит расстояние от горизонтальной плоскости, то есть высоту по вертикали. Точка на наклонной плоскости, отстоящая на S от линии AB (вверх по скату), поднята над горизонтом на H = S\sin\varphi (наклонная поднимается под углом \varphi к горизонту):
H = S\sin\varphi = 0{,}3 \cdot \sin 30^\circ = 0{,}3 \cdot 0{,}5 = 0{,}15 м.
Ответ: H \approx 0{,}15 м (15 см).
H \approx 0{,}15 м (15 см)