Сингулярность

На горизонтальной поверхности находятся два тела: длинная доска высотой и однородный цилиндр радиусом , которые касаются друг друга (см. рисунок). Масса цилиндра равна . Коэффициенты трения между цилиндром и поверхностью, а также между самими телами, одинаковы и равны .

Доска движется с постоянным горизонтальным ускорением , направленным перпендикулярно линии контакта с цилиндром. Ускорение свободного падения равно .

  1. При каких значениях ускорения доски цилиндр не будет поворачиваться вокруг горизонтальной оси, если коэффициент трения может принимать любые значения больше нуля?

Рисунок из условия

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Первый способ

Перейдём в неинерциальную систему отсчёта, движущуюся влево с ускорением . В этой системе цилиндр покоится, и на него действует эффективная сила тяжести:

Рисунок из решения

Заметим, что с увеличением ускорения угол между вертикалью и вектором увеличивается.

Расставим силы, действующие на цилиндр в этой системе отсчёта:

  • сила реакции со стороны горизонтальной поверхности, направленная под углом к вертикали. , так как происходит движение с проскальзыванием;
  • сила реакции со стороны доски направлена под некоторым углом к радиусу, проведённому в точку касания.

Рисунок из решения

Случай 1: , линия действия силы проходит левее точки контакта цилиндра с доской (точки ). Для равновесия цилиндра необходимо, чтобы силы , и пересекались в одной точке (по теореме о трёх непараллельных силах). Угол фиксирован, а угол увеличивается при уменьшении ускорения . Максимальное значение угла равно :

Из геометрии задачи следует, что при угол между эффективной силой тяжести и вертикалью равен . Следовательно:

С увеличением ускорения угол уменьшается, пока и не станут направленными вдоль одной прямой. Дальнейшее увеличение приведёт к нарушению равновесия, и цилиндр начнёт закатываться на доску. При этом сила реакции станет равной нулю. Следовательно:

Случай 2: . Линия действия силы проходит ниже точки контакта цилиндра с доской.

Рисунок из решения

Рисунок из решения

По теореме о трёх непараллельных силах, с учётом того, что , получаем два возможных диапазона для угла , при которых три силы пересекаются в одной точке:

  • и вектор направлен в точку пересечения трёх сил;
  • и продолжение вектора в обратном направлении проходит через точку пересечения трёх сил (см. рис.).

При все три вектора сил направлены в одну полуплоскость, следовательно, их сумма не может быть равна нулю. Значит, равновесие в этом случае невозможно. Для по аналогии с первым случаем получаем

Случай 3: .

Рисунок из решения

, линия действия силы проходит через точку . Тогда либо линии действия сил и совпадают, либо пересекаются в точке . Первое невозможно, так как в этом случае для выполнения условия равновесия должна быть параллельна и , чего быть не может. Значит, линии действия сил и пересекаются в точке . Тогда по теореме о трёх непараллельных силах тоже направлена в точку , откуда однозначно находим значение ускорения:

Второй способ

Расставим силы, действующие на цилиндр, и запишем теорему о движении центра масс для цилиндра в проекциях на горизонтальное и вертикальное направления:

Рисунок из решения

Из условия задачи можем найти угол :

Так как цилиндр скользит по горизонтальной поверхности, сила трения равна соответственно:

Для того чтобы цилиндр не вращался, должно выполняться правило моментов относительно его центра:

Формально, предыдущее уравнение необходимо писать в системе отсчёта центра масс цилиндра. Но при переходе в неинерциальные системы отсчёта, силы инерции прикладываются к центру масс тела, соответственно не создают момента сил относительно него. Подставим значения сил трения в систему уравнений:

Для выполнения условия равноускоренного движения цилиндра без вращения необходимо выполнение следующих соотношений:

Первое условие гарантирует контакт цилиндра с горизонтальной поверхностью, второе гарантирует отсутствие проскальзывания между цилиндром и доской. Из уравнения на вертикальную ось выразим :

Подставим значение в уравнение на горизонтальную ось:

Сгруппируем слагаемые с с одной стороны равенства:

Домножим обе стороны равенства на :

откуда получаем выражение для значения :

Подставляя значение для угла :

Подставляя это выражение в выражение для силы :

Теперь, чтобы получить возможные значения для , нам необходимо проанализировать неравенство . Видим, что в знаменателе и есть сингулярность при определённом значении коэффициента трения . Рассмотрим по отдельности три случая.

Случай 1: .

:

откуда получаем

Случай 2: .

:

откуда получаем . Первое условие более строгое, чем второе, откуда получаем ответ:

Случай 3: .

Этот случай нельзя напрямую проанализировать из полученных уравнений, т. к. знаменатель дробей обращается в ноль. Чтобы получить ответ для этого случая, вернёмся к исходной системе уравнений и подставим значение угла и коэффициента трения :

Из первого уравнения системы получаем:

Подставим это выражение во второе уравнение системы:

откуда находим единственное решение системы:

Похожие задачи

Аквариум на пружинах

У кубического тонкостенного аквариума (a × a × a) разбилась боковая стенка. Новую стенку (a × a) решили прижать пружинными фиксаторами. Первую пружину жесткостью 2k закрепили у середины верхнего ребра новой стенки, а вторую пружину жесткостью k — у середины нижнего ребра. После этого аквариум придви

Автобус

Настя стоит в поле на расстоянии s от прямой дороги, по которой от остановки с постоянным ускорением a в её сторону начинает движение автобус (рис. 1). Рисунок из условия Расстояние от остановки до девочки равно l. Через какое минимальное время τ Настя сможет оказаться рядом с автобусом, если она ум

А когда не натянута?

Маленькое невесомое колечко может скользить без трения по длинной горизонтальной закреплённой спице. Один конец невесомой нерастяжимой нити прикреплён к кольцу, а другой закреплён в неподвижной точке O (см. рисунок). Рисунок из условия По нити без трения может перемещаться массивная бусинка. Изначал

Призма

На шероховатой горизонтальной поверхности стола находится система, состоящая из призмы массой m, снабжённой лёгким блоком, и бруска массой M = 2m (см. рис.). Боковая поверхность призмы является гладкой, а угол между гранью, на которой находится брусок, и поверхностью стола равен α (sinα = 3/5). К бр