Задание 26 ЕГЭ по физике №00018632
Законы Сохранения
№2. Задание 26
ID: 00018632
В установке, изображённой на рисунке, грузик $A$ соединён перекинутой через блок нитью с бруском $B$, лежащим на горизонтальной поверхности трибометра, закреплённого на столе. Грузик отводят в сторону, приподнимая его на некоторую высоту $h$, и отпускают. Какую величину должна превзойти эта высота, чтобы брусок сдвинулся с места в тот момент, когда грузик проходит нижнюю точку траектории? Масса грузика $m$, масса бруска $M$, длина свисающей части нити $L$, коэффициент трения между бруском и поверхностью $\mu$. Трением в блоке, а также размерами блока пренебречь.
Какие законы Вы используете для описания движения грузика и бруска? Обоснуйте их применение.
Источник: ФИПИ
Решение
Идея
Грузик $A$ — это маятник на нити длиной $L$ (свисающая часть). Его подняли на высоту $h$ и отпустили; в нижней точке он летит по дуге, и натяжение нити там больше веса, ведь нужна ещё сила на поворот (центростремительная). Это самое большое натяжение передаётся через блок горизонтально к бруску $B$. Брусок сдвинется, если натяжение пересилит трение покоя $\mu Mg$.
Обоснование
Применяем закон сохранения энергии на участке падения грузика и второй закон Ньютона для грузика в нижней точке (где есть центростремительное ускорение), а для бруска — условие начала скольжения. Это законно: на дуге грузик движется без трения (трением в блоке пренебрегаем), поэтому механическая энергия сохраняется и в нижней точке $v^2=2gh$. Блок лёгкий, без трения и малых размеров $\Rightarrow$ натяжение по обе стороны нити одинаково, и горизонтальная нить тянет брусок силой, равной натяжению у грузика. Брусок до срыва покоится, значит максимум силы трения покоя $\approx\mu Mg$ (нормальная реакция $N=Mg$, нить горизонтальна и вес бруска не разгружает).
Скорость и натяжение в нижней точке
Энергия: $mgh=\dfrac{mv^2}{2}\Rightarrow v^2=2gh$. В нижней точке для грузика по вертикали: $T-mg=\dfrac{mv^2}{L}$, откуда $T=mg+\dfrac{m\cdot2gh}{L}=mg\!\left(1+\dfrac{2h}{L}\right)$.
Условие сдвига бруска
Брусок тронется, когда $T\gt \mu Mg$: $mg\!\left(1+\dfrac{2h}{L}\right)\gt \mu Mg$. Сокращаем $g$ и выражаем $h$: $1+\dfrac{2h}{L}\gt \dfrac{\mu M}{m}\Rightarrow \dfrac{2h}{L}\gt \dfrac{\mu M}{m}-1$, то есть $h\gt \dfrac{L}{2}\!\left(\dfrac{\mu M}{m}-1\right)=\dfrac{L(\mu M-m)}{2m}$.
Ответ
$h>\dfrac{L\,(\mu M-m)}{2m}$
Другие задания по теме «Законы Сохранения» (8)
- Задание 26 №00045244 — В маленький шар, висящий на нити длиной l равно 50 см, попадает и застревает в…
- Задание 26 №00045243 — Лягушка массой 100 г сидит на конце доски массой 900 г и длиной 50 см, которая…
- Задание 26 №00043208 — Снаряд разорвался в полёте на две равные части, одна из которых продолжила…
- Задание 26 №00042891 — Снаряд массой 2m равно 8 кг разрывается на два одинаковых осколка, один из…
- Задание 26 №00026655 — Два шарика, массы которых m равно 0,1 кг и M равно 0,2 кг, висят, соприкасаясь,…
- Задание 26 №00026654 — В маленький шар массой M = 250 г, висящий на нити длиной l = 50 см, попадает и…
- Задание 26 №00026645 — Система из грузов m и M и связывающей их лёгкой нерастяжимой нити в начальный…
- Задание 26 №00026644 — Пружинное ружьё наклонено под углом α к горизонту. Энергия сжатой пружины равна…