-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè § 42. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ è å¸ èçìåíåíèå»Î÷åíü ÷àñòî äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ î äâèæåíèè òåëà, ñêîðîñòü êîòîðîãî èçìåíÿåòñÿ, óäîáíî ïîëüçîâàòüñÿ òåîðåìîé îá èçìåíåíèè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè. Òàêîé ñïîñîá ïîçâîëÿåò ðåøàòü çàäà÷è è â òîì ñëó÷àå, êîãäà ñèëû, äåéñòâóþùèå íà òåëî, ÿâëÿþòñÿ ïåðåìåííûìè. Î÷åâèäíî, ÷òî ðåøåíèå ïîäîáíûõ çàäà÷ íà îñíîâàíèè âòîðîãî çàêîíà Íüþòîíà çàòðóäíåíî òåì, ÷òî äâèæåíèå ïðîèñõîäèò ñ ïåðåìåííûì óñêîðåíèåì. Çàäà÷à 1. Øîô¸ð âûêëþ÷àåò äâèãàòåëü è íà÷èíàåò òîðìîçèòü, êîãäà âèäèò, ÷òî âïåðåäè ìåíÿþò àñôàëüò è äîðîãà ïîêðûòà ïåñêîì. Íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü àâòîìîáèëÿ 90 êì/÷. Øîô¸ð íàæàë íà òîðìîç íà ðàññòîÿíèè 60 ì îò ãðàíèöû ìåæäó àñôàëüòîì è ïåñêîì. Îïðåäåëèòå êîýôôèöèåíò òðåíèÿ êîë¸ñ àâòîìîáèëÿ î äîðîãó, ïîêðûòóþ ïåñêîì, åñëè ìàøèíà äî îñòàíîâêè ïðîåõàëà ïî íåé 2,5 ì. Êîýôôèöèåíò òðåíèÿ êîë¸ñ ìàøèíû îá àñôàëüò μ1 = 0,5.
Ð å ø å í è å. Ñîãëàñíî òåîðåìå îá èçìåíåíèè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè àâòîìîáèëÿ ðàâíî àëãåáðàè÷åñêîé ñóììå ðàáîò âñåõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà íåãî. Íà àâòîìîáèëü äåéñòâóþò (ðèñ. 5.5) ñèëà òÿæåñòè m Ñèëû òÿæåñòè è íîðìàëüíîé ðåàêöèè îïîðû ïåðïåíäèêóëÿðíû ïåðåìåùåíèþ, ïîýòîìó ðàáîòû èõ íà äàííîì ïåðåìåùåíèè ðàâíû íóëþ. Òîãäà 0 - mυ2/2 = -Fòð1s1 - Fòp2s2 = -(μ1s1 + μ2s2)N. Î÷åâèäíî, ÷òî N = mg. Ïîäñòàâèâ N â óðàâíåíèå, ïîëó÷èì mυ2/2 = (μ1s1 + μ2s2)mg. Îêîí÷àòåëüíî
Çàäà÷à 2. Ìàÿòíèê, ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ìàëåíüêèé øàðèê, ïîäâåøåííûé íà òîíêîé íèòè äëèíîé 1 ì, îòêëîíèëè òàê, ÷òî íèòü ñòàëà ñîñòàâëÿòü ñ âåðòèêàëüþ óãîë 60°. Çàòåì øàðèê îòïóñòèëè. Îïðåäåëèòå ñêîðîñòü øàðèêà â òîò ìîìåíò, êîãäà óãîë îòêëîíåíèÿ íèòè ðàâåí 30° è êîãäà øàðèê ïðîõîäèò ïîëîæåíèå ðàâíîâåñèÿ. Ð å ø å í è å. Íà øàðèê âî âðåìÿ äâèæåíèÿ äåéñòâóþò äâå ñèëû — ñèëà òÿæåñòè è ñèëà íàòÿæåíèÿ (ðèñ. 5.6). Èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè øàðèêà ïðè ïåðåìåùåíèè èç òî÷êè À â òî÷êó  ðàâíî: mυ22/2 - 0 = Àò + Àí. (1) Ðàáîòà ñèëû íàòÿæåíèÿ ðàâíà íóëþ, òàê êàê îíà âñ¸ âðåìÿ ïåðïåíäèêóëÿðíà ïåðåìåùåíèþ. Íà îñíîâàíèè çàêîíà î íåçàâèñèìîñòè äâèæåíèé äâèæåíèå øàðèêà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñóììó äâóõ äâèæåíèé: ïî îñè ÎÕ è ïî îñè OY. Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè øàðèêà âäîëü îñè ÎÕ ðàâíà íóëþ, òàê êàê ñèëà òÿæåñòè ïåðïåíäèêóëÿðíà ïåðåìåùåíèþ âäîëü ýòîé îñè. Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè âäîëü îñè OY ðàâíà Àò = mgΔy, ãäå Δó = h1 - h2. Èç òðåóãîëüíèêà ÀO2O1 ïîëó÷èì O1O2 = lcosα0, òîãäà h1 = l - O1O2 = l(1 - cosα0), à èç òðåóãîëüíèêà ÂO2Ñ ïîëó÷èì O2Ñ = lcosα, h2 = l - O2Ñ = l(1 - cosα). Îêîí÷àòåëüíî h1 - h2 = l(cosα - cosα0). Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà Àò = mgl(cosα - cosα0). Ïîäñòàâèâ íàéäåííîå âûðàæåíèå äëÿ ðàáîòû â óðàâíåíèå (1), ïîëó÷èì m22/2 = mgl(cosα - cosα0). Ñêîðîñòü â òî÷êå Â: Ïåðåìåùåíèå øàðèêà âäîëü îñè OY ïðè äâèæåíèè èç òî÷êè À â òî÷êó Î ðàâíî h1. Òîãäà ñêîðîñòü øàðèêà â òî÷êå Î: Çàäà÷à 3. Òåëî áðîøåíî âåðòèêàëüíî ââåðõ ñî ñêîðîñòüþ υ0 = 10 ì/ñ. Îïðåäåëèòå íàèáîëüøóþ âûñîòó ïîäú¸ìà hmàõ, à òàêæå ñêîðîñòü òåëà íà âûñîòå, ðàâíîé hmax/2. Ñèëîé ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Ð å ø å í è å. Èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òåëà ïðè ïîäú¸ìå íà ìàêñèìàëüíóþ âûñîòó ðàâíî ðàáîòå ñèëû òÿæåñòè: 0 - mυ20/2 = -mghmax. Èç ýòîãî óðàâíåíèÿ ñðàçó æå ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ ìàêñèìàëüíîé âûñîòû ïîäú¸ìà: hmàõ = υ20/2g = 5 ì. Ñêîðîñòü òåëà íà íåêîòîðîé âûñîòå ïðè ïàäåíèè ðàâíà åãî ñêîðîñòè íà òîé æå âûñîòå ïðè ïîäú¸ìå. Îïðåäåëèì ñêîðîñòü òåëà ïðè ïàäåíèè ñ ìàêñèìàëüíîé âûñîòû. Ñîãëàñíî òåîðåìå îá èçìåíåíèè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè mυ2/2 - 0 = mgh = mghmax/2. (Ñèëà òÿæåñòè ïðè ñïóñêå ñîâåðøàåò ïîëîæèòåëüíóþ ðàáîòó.) Òîãäà äëÿ ñêîðîñòè ïîëó÷àåì ôîðìóëó
Çàäà÷à 4. Ãðóç òÿíóò ââåðõ ïî íàêëîííîé ïëîñêîñòè ñ óãëîì à ó îñíîâàíèÿ. Íà âûñîòå h âåð¸âêà îáðûâàåòñÿ. Îïðåäåëèòå ñêîðîñòü ãðóçà ó îñíîâàíèÿ ïëîñêîñòè. Êîýôôèöèåíò òðåíèÿ ãðóçà î ïëîñêîñòü ðàâåí μ. Ð å ø å í è å. Íà ãðóç äåéñòâóþò ñèëû òÿæåñòè, íîðìàëüíîé ðåàêöèè îïîðû è òðåíèÿ (ðèñ. 5.7). Èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïðè ñîñêàëüçûâàíèè ãðóçà ðàâíî: mυ2/2 - 0 = Àò + Àòð. Ðàáîòà ñèëû íîðìàëüíîé ðåàêöèè îïîðû ðàâíà íóëþ, òàê êàê ýòà ñèëà ïåðïåíäèêóëÿðíà ïåðåìåùåíèþ. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà Àò = mgl sina = mgh. Ñèëà òðåíèÿ Fòð = μN = μmgcosα. Ðàáîòà ñèëû òðåíèÿ Àòð = -μmg cosα. Äëèíà ïóòè Òîãäà Àòð = -μmgh cosα/sinα = -μmghctgα. Ïîäñòàâèâ íàéäåííûå âûðàæåíèÿ äëÿ ðàáîò ñèë òÿæåñòè è òðåíèÿ â óðàâíåíèå (1), ïîëó÷èì mυ2/2 = mgh - μmghctgα = mgh(1 - μctgα). Òîãäà äëÿ ñêîðîñòè ïîëó÷èì âûðàæåíèå Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ 1. Ìÿ÷ ìàññîé 1 êã ïàäàåò ñ âûñîòû 2 ì. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ìÿ÷à íà ïåðâîé è âòîðîé ïîëîâèíàõ ïóòè. 2. ×åëîâåê ñíà÷àëà íåñ¸ò ãðóç ìàññîé 4 êã äî øêàôà, à çàòåì ñòàâèò åãî íà øêàô, ïîäíÿâ ãðóç íà âûñîòó 1 ì. Îïðåäåëèòå ðàáîòó ñèëû òÿæåñòè, äåéñòâóþùåé íà ãðóç ïðè åãî ïåðåìåùåíèè. 3. Ñêîðîñòü òåëà ìàññîé 2 êã èçìåíÿåòñÿ ñîãëàñíî óðàâíåíèþ υõ = 5 + 4t + 2t2 . Îïðåäåëèòå ðàáîòó ñèë, äåéñòâóþùèõ íà òåëî â òå÷åíèå ïåðâûõ ÷åòûð¸õ ñåêóíä.
|
|
|