Несмотря на другие условия движения принципиально решение задачи 8 ничем не отличается от решения задачи 7. Отличие состоит лишь в том, что в задаче 8 действующие на тело силы не лежат вдоль одной прямой, поэтому проекции необходимо взять на две оси.
Задача 8. Лошадь везет сани массой 230 кг, действуя на них с силой 250 Н. Какое расстояние пройдут сани, пока достигнут скорости 5,5 м/с, двигаясь из состояния покоя. Коэффициент трения скольжения саней о снег равен 0,1, а оглобли расположены под углом 20° к горизонту.
На сани действуют четыре силы: сила тяги (натяжения), направленная под углом 20° к горизонту; сила тяжести, направленная вертикально вниз (всегда); сила реакции опоры, направленная перпендикулярно опоре от нее, т. е. вертикально вверх (в данной задаче); сила трения скольжения, направленная против движения. Поскольку сани будут двигаться поступательно, все приложенные силы можно параллельно перенести в одну точку – в центр масс движущегося тела (саней). Через эту же точку проведем и оси координат (рис. 8).
На основании второго закона Ньютона запишем уравнение движения :
.
Направим ось Ox горизонтально вдоль направления движения (см. рис. 8), а ось Oy – вертикально вверх. Возьмем проекции векторов, входящих в уравнение, на координатные оси, добавим выражение для силы трения скольжения и получим систему уравнений:
Решим систему уравнений. (Схема решения системы уравнений, подобных системе, обычно одинакова: из второго уравнения выражают силу реакции опоры и подставляют ее в третье уравнение, а затем выражение для силы трения подставляют в первое уравнение.) В результате получим:
Перегруппируем слагаемые в формуле и разделим ее правую и левую части на массу:
.
Поскольку ускорение не зависит от времени, выберем формулу кинематики равноускоренного движения, содержащую скорость, ускорение и перемещение:
.
Учитывая, что начальная скорость равна нулю, а скалярное произведение одинаково направленных векторов равно произведению их модулей, подставим ускорение и выразим модуль перемещения:
;
Полученное значение и есть ответ задачи, поскольку при прямолинейном движении пройденный путь и модуль перемещения совпадают.
Ответ : сани пройдут 195 м.
Движение по наклонной плоскости
Описание движения небольших тел по наклонной плоскости принципиально не отличается от описания движения тел по вертикали и по горизонтали, поэтому при решении задач на этот вид движения, как и в задачах 7, 8, также необходимо записать уравнение движения и взять проекции векторов на координатные оси. Разбирая решение задачи 9, необходимо обратить внимание на схожесть подхода к описанию различных видов движения и на нюансы, которые отличают решение этого типа задач от решения задач, рассмотренных выше.
Задача 9. Лыжник соскальзывает с длинной ровной заснеженной горки, угол наклона к горизонту которой составляет 30°, а длина равна 140 м. Сколько времени будет длиться спуск, если коэффициент трения скольжения лыж о рыхлый снег равен 0,21?
|
Дано:
|
Решение. |
|
|
Движение лыжника по нак-лонной плоскости происходит под действием трех сил: силы тяжести, направленной вертикально вниз; силы реакции опоры, направленной перпендикулярно к опоре; силы трения скольжения, направленной против движения тела. Пренебрегая размерами лыжника по сравнению с длиной горки, на основании второго закона Ньютона запишем уравнение движения лыжника:
.
Выберем ось Ox вниз вдоль наклонной плоскости (рис. 9), а ось Oy – перпендикулярно наклонной плоскости вверх. Возьмем проекции векторов уравнения на выбранные координатные оси с учетом того, что ускорение направлено вдоль наклонной плоскости вниз, и добавим к ним выражение, определяющее силу трения скольжения. Получим систему уравнений:
Решим систему уравнений относительно ускорения. Для этого из второго уравнения системы выразим силу реакции опоры и подставим полученную формулу в третье уравнение, а выражение для силы трения – в первое. После сокращения массы имеем формулу:
.
Ускорение не зависит от времени, значит, можно воспользоваться формулой кинематики равноускоренного движения, содержащей перемещение, ускорение и время:
.
С учетом того, что начальная скорость лыжника равна нулю, а модуль перемещения равен длине горки, выразим из формулы время и, подставляя в полученную формулу ускорение, получим:
;
Ответ : время спуска с горы 9,5 с.
На наклонной плоскости длиной 13 м и высотой 5 м лежит груз массой 26 кг. Коэффициент трения равен 0,5. Какую силу надо приложить к грузу вдоль плоскости, чтобы втащить груз? чтобы стащить груз
РЕШЕНИЕ
Какую силу надо приложить для подъема вагонетки массой 600 кг по эстакаде с углом наклона 20°, если коэффициент сопротивления движению равен 0,05
РЕШЕНИЕ
При проведении лабораторной работы были получены следующие данные: длина наклонной плоскости 1 м, высота 20 см, масса деревянного бруска 200 г, сила тяги при движении бруска вверх 1 Н. Найти коэффициент трения
РЕШЕНИЕ
На наклонной плоскости длиной 50 см и высотой 10 см покоится брусок массой 2 кг. При помощи динамометра, расположенного параллельно плоскости, брусок сначала втащили вверх по наклонной плоскости, а затем стащили вниз. Найти разность показаний динамометра
РЕШЕНИЕ
Чтобы удерживать тележку на наклонной плоскости с углом наклона α, надо приложить силу F1 направленную вверх вдоль наклонной плоскости, а чтобы поднимать вверх, надо приложить силу F2. Найти коэффициент сопротивления
РЕШЕНИЕ
Наклонная плоскость расположена под углом α = 30° к горизонту. При каких значениях коэффициента трения μ тянуть по ней груз труднее, чем поднимать его вертикально
РЕШЕНИЕ
На наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 3 м находится груз массой 50 кг. Какую силу, направленную вдоль плоскости, надо приложить, чтобы удержать этот груз? тянуть равномерно вверх? тянуть с ускорением 1 м/с2? Коэффициент трения 0,2
РЕШЕНИЕ
Автомобиль массой 4 т движется в гору с ускорением 0,2 м/с2. Найти силу тяги, если уклон равен 0,02 и коэффициент сопротивления 0,04
РЕШЕНИЕ
Поезд массой 3000 т движется вниз под уклон, равный 0,003. Коэффициент сопротивления движению равен 0,008. С каким ускорением движется поезд, если сила тяги локомотива равна: а) 300 кН; б) 150 кН; в) 90 кН
РЕШЕНИЕ
Мотоцикл массой 300 кг начал движение из состояния покоя на горизонтальном участке дороги. Затем дорога пошла под уклон, равный 0,02. Какую скорость приобрел мотоцикл через 10 с после начала движения, если горизонтальный участок дороги он проехал за половину этого времени? Сила тяги и коэффициент сопротивления движению на всем пути постоянны и соответственно равны 180 Н и 0,04
РЕШЕНИЕ
Брусок массой 2 кг находится на наклонной плоскости с углом наклона 30°. Какую силу, направленную горизонтально (рис. 39), надо приложить к бруску, чтобы он двигался равномерно по наклонной плоскости? Коэффициент трения бруска о наклонную плоскость равен 0,3
РЕШЕНИЕ
Поместите на линейке небольшой предмет (резинку, монету и т. д.). Постепенно поднимайте конец линейки, пока предмет не начнет скользить. Измерьте высоту h и основание b полученной наклонной плоскости и вычислите коэффициент трения
РЕШЕНИЕ
С каким ускорением а скользит брусок по наклонной плоскости с углом наклона α = 30° при коэффициенте трения μ = 0,2
РЕШЕНИЕ
В момент начала свободного падения первого тела с некоторой высоты h второе тело стало скользить без трения с наклонной плоскости, имеющей ту же высоту h и длину l = nh. Сравнить конечные скорости тел у основания наклонной плоскости и время их движения.
В данной статье рассказывается о том, как решать задачи про движение по наклонной плоскости. Рассмотрено подробное решение задачи о движении связанных тел по наклонной плоскости из ЕГЭ по физике.
Решение задачи о движении по наклонной плоскости
Прежде чем перейти непосредственно к решению задачи, как репетитор по математике и физике, рекомендую тщательно проанализировать ее условие. Начать нужно с изображения сил, которые действуют на связанные тела:
Здесь и — силы натяжения нити, действующие на левое и правое тело, соответственно, — сила реакции опоры, действующая на левое тело, и — силы тяжести, действующие на левое и правое тело, соответственно. С направлением этих сил все понятно. Сила натяжения направлена вдоль нити, сила тяжести вертикально вниз, а сила реакции опоры перпендикулярно наклонной плоскости.
А вот с направлением силы трения придется разбираться отдельно. Поэтому на рисунке она изображена пунктирной линией и подписана со знаком вопроса. Интуитивно понятно, что если правый груз будет «перевешивать» левый, то сила трения будет направлена противоположно вектору . Наоборот, если левый груз будет «перевешивать» правый, то сила трения будет сонаправлена с вектором .
Правый груз тянет вниз сила Н. Здесь мы взяли ускорение свободного падения м/с 2 . Левый груз вниз тоже тянет сила тяжести, но не вся целиком, а только ее «часть», поскольку груз лежит на наклонной плоскости. Эта «часть» равна проекции силы тяжести на наклонную плоскости, то есть катету в прямоугольном треугольнике , изображенном на рисунке, то есть равна Н.
То есть «перевешивает» все-таки правый груз. Следовательно, сила трения направлена так, как показано на рисунке (мы ее нарисовали от центра масс тела, что возможно в случае, когда тело можно моделировать материальной точкой):
Второй важный вопрос, с которым нужно разобраться, будет ли вообще двигаться эта связанная система? Вдруг окажется так, что сила трения между левым грузом и наклонной плоскостью будет настолько велика, что не даст ему сдвинуться с места?
Такая ситуация будет возможна в том случае, когда максимальная сила трения, модуль которой определяется по формуле (здесь — коэффициент трения между грузом и наклонной плоскостью, — сила реакции опоры, действующая на груз со стороны наклонной плоскости), окажется больше той силы, которая старается привести систему с движение. То есть той самой «перевешивающей» силы, которая равна Н.
Модуль силы реакции опоры равен длине катета в треугольнике по 3-музакону Ньютона (с какой по величине силой груз давит на наклонную плоскость, с такой же по величине силой наклонная плоскость действует на груз). То есть сила реакции опоры равна Н. Тогда максимальная величина силы трения составляет Н, что меньше, чем величина «перевешивающей силы».
Следовательно, система будет двигаться, причем двигаться с ускорением. Изобразим на рисунке эти ускорения и оси координат, которые нам понадобятся далее при решении задачи:
Теперь, после тщательного анализа условия задачи, мы готовы приступить к ее решению.
Запишем 2-ой закон Ньютона для левого тела:
А в проекции на оси координатной системы получаем:
Здесь с минусом взяты проекции, векторы которых направлен против направления соответствующей оси координат. С плюсом взяты проекции, векторы которых сонаправлен с соответствующей осью координат.
Еще раз подробно объясним, как находить проекции и . Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник , изображенный на рисунке. В этом треугольнике 
и 
. Также известно, что в этом прямоугольном треугольнике . Тогда и .
Вектор ускорения целиком лежит на оси , поэтому и . Как мы уже вспоминали выше, по определению модуль силы трения равен произведению коэффициента трения на модуль силы реакции опоры. Следовательно, . Тогда исходная система уравнений принимает вид:
Запишем теперь 2-ой закон Ньютона для правого тела:
В проекции на ось получаем.
Букина Марина, 9 В
Движение тела по наклонной плоскости
с переходом на горизонтальную
В качестве исследуемого тела я взяла монету достоинством 10 рублей (грани ребристые).
Технические характеристики:
Диаметр монеты – 27,0 мм;
Масса монеты - 8,7 г;
Толщина - 4 мм;
Монета изготовлена из сплава латунь-мельхиор.
За наклонную плоскость я решила принять книгу длиной 27 см. Она и будет являться наклонной плоскостью. Горизонтальная же плоскость неограниченная, т. к. цилиндрическое тело, а в дальнейшем монета, скатываясь с книги, будет продолжать свое движение на полу (паркетная доска). Книга поднята на высоту 12 см от пола; угол между вертикальной плоскостью и горизонтальной равен 22 градусам.
В качестве дополнительного оборудования для измерений были взяты: секундомер, линейка обыкновенная, длинная нить, транспортир, калькулятор.
На Рис.1. схематичное изображение монеты на наклонной плоскости.
Выполним пуск монеты.
Полученные результаты занесем в таблицу 1
вид плоскости | ||||
наклонная плоскость | ||||
горизонтальная плоскость | ||||
*0,27 м величина постоянная tобщ=90,04 |
Таблица 1
Траектория движения монеты во всех опытах была различна, но некоторые части траектории были похожи. По наклонной плоскости монета двигалась прямолинейно, а при движении на горизонтальной плоскости – криволинейно.
На Рисунке 2 изображены силы, действующие на монету во время её движения по наклонной плоскости:
С помощью II Закона Ньютона выведем формулу для нахождения ускорения монеты (по Рис.2.):
Для начала, запишем формулу II Закона Ньютона в векторном виде.
Где - ускорение, с которым движется тело, - равнодействующая сила (силы, действующие на тело), https://pandia.ru/text/78/519/images/image008_3.gif" width="164" height="53">, на наше тело во время движения действуют три силы: сила тяжести (Fтяж), сила трения (Fтр) и сила реакции опоры (N);
Избавимся от векторов, при помощи проецирования на оси X и Y:
Где - коэффициент трения
Т. к. у нас нет данных о числовом значении коэффициента трения монеты о нашу плоскость, воспользуемся другой формулой:
Где S – путь, пройденный телом, V0- начальная скорость тела, а – ускорение, с которым двигалось тело, t – промежуток времени движения тела.
т. к. 
,
в ходе математических преобразований получаем следующую формулу:
При проецировании этих сил на ось Х (Рис.2.) видно, что направления векторов пути и ускорения совпадают, запишем полученную форму, избавившись от векторов:
За S и t примем средние значения из таблицы, найдем ускорение и скорость (по наклонной плоскости тело двигалось прямолинейно равноускоренно).
https://pandia.ru/text/78/519/images/image021_1.gif" align="left" width="144" height="21">
Аналогично найдём ускорение тела на горизонтальной плоскости (по горизонтальной плоскости тело двигалось прямолинейно равнозамедленно)
R=1, 35 см, где R – радиус монеты
где - угловая скорость, -центростремительное ускорение, - частота обращения тела по окружности
Движение тела по наклонной плоскости с переходом на горизонтальную – прямолинейное равноускоренное, сложное, которое можно разделить на вращательное и поступательное движения.
Движение тела на наклонной плоскости является прямолинейным равноускоренным.
По II Закону Ньютона видно, что ускорение зависит только от равнодействующей силы (R), а она на протяжении всего пути по наклонной плоскости остается величиной постоянной, т. к. в конечной формуле, после проецирования II Закона Ньютона, величины, задействованные в формуле являются постоянными https://pandia.ru/text/78/519/images/image029_1.gif" width="15" height="17">поворота из некоторого начального положения.
Поступательным называется такое движение абсолютно твердого тела, при котором любая прямая, жестко связанная с телом, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Все точки тела, движущегося поступательно, в каждый момент времени имеют одинаковые скорости и ускорения, а их траектории полностью совмещаются при параллельном переносе.
Факторы, влияющие на время движения тела
по наклонной плоскости
с переходом на горизонтальную
Зависимость времени от монет разного достоинства (т. е. имеющих разный d (диаметр)).
Достоинство монеты | d монеты, см | tср, с |
||
Таблица 2
Чем больше диаметр монеты, тем больше время её движения.
Зависимость времени от угла наклона
Угол наклона | tср, с |
||
В. М. Зражевский
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №
СКАТЫВАНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА С НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ
Цель работы: Проверка закона сохранения механической энергии при скатывании твердого тела с наклонной плоскости.
Оборудование: наклонная плоскость, электронный секундомер, цилиндры разной массы.
Теоретические сведения
Пусть цилиндр радиуса R и массой m скатывается с наклонной плоскости, образующей угол α с горизонтом (рис. 1). На цилиндр действуют три силы: сила тяжести P = mg , сила нормального давления плоскости на цилиндр N и сила трения цилиндра о плоскость F тр. , лежащая в этой плоскости.
Цилиндр участвует одновременно в двух видах движения: поступательном движении центра масс O и вращательном движении относительно оси, проходящей через центр масс.
Так как цилиндр во время движения остается на плоскости, то ускорение центра масс в направлении нормали к наклонной плоскости равно нулю, следовательно
P ∙cosα − N = 0. (1)
Уравнение динамики поступательного движения вдоль наклонной плоскости определяется силой трения F тр. и составляющей силы тяжести вдоль наклонной плоскости mg ∙sinα:
ma = mg ∙sinα − F тр. , (2)
где a – ускорение центра тяжести цилиндра вдоль наклонной плоскости.
Уравнение динамики вращательного движения относительно оси, проходящей через центр масс имеет вид
I ε = F тр. R , (3)
где I
– момент инерции, ε – угловое ускорение.
Момент силы тяжести и
относительно этой оси равен нулю.
Уравнения (2) и (3) справедливы всегда, вне зависимости от того, движется цилиндр по плоскости со скольжением или без скольжения. Но из этих уравнений нельзя определить три неизвестные величины: F тр. , a и ε, необходимо еще одно дополнительное условие.
Если сила трения имеет достаточную величину, то качение цилиндра по наклонной происходит без скольжения. Тогда точки на окружности цилиндра должны проходить ту же длину пути, что и центр масс цилиндра. В этом случае линейное ускорение a и угловое ускорение ε связаны соотношением
a = R ε. (4)
Из уравнения (4) ε = a /R . После подстановки в (3) получаем
.
(5)
Заменив в (2) F тр. на (5), получаем
.
(6)
Из последнего соотношения определяем линейное ускорение
.
(7)
Из уравнений (5) и (7) можно вычислить силу трения:
.
(8)
Сила трения зависит от угла наклона α, силы тяжести P = mg и от отношения I /mR 2 . Без силы трения качения не будет.
При качении без скольжения играет роль сила трения покоя. Сила трения при качении, как и сила трения покоя, имеет максимальное значение, равное μN . Тогда условия для качения без скольжения будут выполняться в том случае, если
F тр. ≤ μN . (9)
Учитывая (1) и (8), получим
,
(10)
или, окончательно
.
(11)
В общем случае момент инерции однородных симметричных тел вращения относительно оси, проходящей через центр масс, можно записать как
I = kmR 2 , (12)
где k = 0,5 для сплошного цилиндра (диска); k = 1 для полого тонкостенного цилиндра (обруча); k = 0,4 для сплошного шара.
После подстановки (12) в (11) получаем окончательный критерий скатывания твердого тела с наклонной плоскости без проскальзывания:
.
(13)
Поскольку при качении твердого тела по твердой поверхности сила трения качения мала, то полная механическая энергия скатывающегося тела постоянна. В начальный момент времени, когда тело находится в верхней точке наклонной плоскости на высоте h , его полная механическая энергия равна потенциальной:
W п = mgh = mgs ∙sinα, (14)
где s – путь, пройденный центром масс.
Кинетическая энергия катящегося тела складывается из кинетической энергии поступательного движения центра масс со скоростью υ и вращательного движения со скоростью ω относительно оси, проходящей через центр масс:
.
(15)
При качении без скольжения линейная и угловая скорости связаны соотношением
υ = R ω. (16)
Преобразуем выражение для кинетической энергии (15), подставив в него (16) и (12):
Движение по наклонной плоскости является равноускоренным:
.
(18)
Преобразуем (18) с учетом (4):
.
(19)
Решая совместно (17) и (19), получим окончательное выражение для кинетической энергии тела, катящегося по наклонной плоскости:
.
(20)
Описание установки и метода измерений
Исследовать качение тела по наклонной плоскости можно с помощью узла «плоскость» и электронного секундомера СЭ1, входящих в состав модульного учебного комплекса МУК-М2.
У
становка
представляет собой наклонную плоскость
1, которую с помощью винта 2 можно
устанавливать под разными углами α к
горизонту (рис. 2). Угол α измеряется с
помощью шкалы 3. На плоскость может быть
помещен цилиндр 4 массой m
.
Предусмотрено использование двух
роликов разной массы. Ролики закрепляются
в верхней точке наклонной плоскости с
помощью электромагнита 5, управление
которым осуществляется с помощью
электронного секундомера СЭ1. Пройденное цилиндром расстояние измеряется линейкой 6, закрепленной вдоль плоскости. Время скатывания цилиндра измеряется автоматически с помощью датчика 7, выключающего секундомер в момент касания роликом финишной точки.
Порядок выполнения работы
1. Ослабив винт 2 (рис. 2), установите плоскость под некоторым углом α к горизонту. Поместите ролик 4 на наклонную плоскость.
2. Переключите тумблер управления электромагнитами механического блока в положение «плоскость».
3. Переведите секундомер СЭ1 в положение режим 1.
4. Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. Измерьте время скатывания.
5. Повторите опыт пять раз. Результаты измерений запишите в табл. 1.
6. Вычислите значение механической энергии до, и после скатывания. Сделайте вывод.
7. Повторите п. 1-6 для других углов наклона плоскости.
Таблица 1
|
t i , c |
(t i − <t >) 2 |
пути s , м |
Угол наклона |
ролика, кг |
W п, Дж |
W к, Дж |
|
|
t (a,n ) |
<t > |
å(t i – <t >) 2 |
Δs , м |
Δm , кг |
|||
8. Повторите опыт п. 1-7 для второго ролика. Результаты запишите в табл. 2, аналогичную табл. 1.
9. Сделайте выводы по всем результатам работы.
Контрольные вопросы
1. Назовите виды сил в механике.
2. Объяснить физическую природу сил трения.
3. Что называется коэффициентом трения? Его размерность?
4. Какие факторы влияют на величину коэффициента трения покоя, скольжения, качения?
5. Описать общий характер движения твердого тела при качении.
6. Как направлен момент силы трения при качении по наклонной плоскости?
7. Записать систему уравнений динамики при качении цилиндра (шара) по наклонной плоскости.
8. Вывести формулу (13).
9. Вывести формулу (20).
10. Шар и цилиндр с одинаковыми массами m и равными радиусами R одновременно начинают скатываться по наклонной плоскости с высоты h . Одновременно ли они достигнут нижней точки (h = 0)?
11. Объяснить причину торможения катящегося тела.
Библиографический список
1. Савельев, И. В. Курс общей физики в 3х т. Т. 1 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – § 41–43.
2. Хайкин, С. Э. Физические основы механики / С. Э. Хайкин. – М: Наука, 1971. – § 97.
3. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М: Высш. шк., 1990. – § 16–19.
