Global EE

Задание 26 ЕГЭ по физике №00018632

Задание №26. Механика. Задача с Обоснованием

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.

Рисунок к заданию 26 ЕГЭ по физике — Законы Сохранения

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)