Инженерная олимпиада 2023, 11 класс, задача 4

Массивный стержень шарнирно закреплен на горизонтальной поверхности. Стержень опирается на массивный шар, лежащий на этой поверхности (см. рисунок). При каких углах между стержнем и поверхностью система будет находиться в равновесии, если коэффициенты трения стержня о шар и шара о поверхность одинаковы и равны . Трением качения пренебречь.

Рисунок

Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Пусть сила нормальной реакции между стержнем и шаром (которая зависит от массы стержня и угла ) равна . Силы, действующие на шар, показаны на рисунке.

Рисунок

Здесь сила тяжести шара, - сила реакции горизонтальной поверхности, и - силы трения между шаром и стержнем и шаром и горизонтальной поверхностью соответственно. Поскольку силы тяжести и реакции приложены к центру шара, их моменты относительно центра равны нулю, и из условия моментов относительно центра шара заключаем, что в равновесии силы трения равны друг другу. Поэтому условие равновесия в проекциях на горизонтальную и вертикальную оси дает

Из этих формул находим

При этом условия отсутствия проскальзывания в точках касания шара и стержня, шара и горизонтальной поверхности

дают условия на угол в равновесии системы. Из этих формул видим, что с ростом угла (или с уменьшением коэффициента трения) первым нарушается первое условие, которое вместе с первой формулой (*) и определяет равновесное значение угла наклона стержня

Используя формулу для тангенса половинного угла эту условие можно привести к виду

Отметим, что из проведенного анализа можно сделать вывод, как начнет двигаться шар при увеличении угла или уменьшении коэффициента трения. Поскольку первым нарушается условие отсутствия проскальзывания между шаром и стержнем, при увеличении угла или уменьшении коэффициента трения шар начнет катиться по горизонтальной поверхности, не проскальзывая относительно нее. При этом такое положение будет иметь место при любых значениях силы . Т.е. даже бесконечно легкий стержень заставит катиться шар при нарушении условия (**). Это связано с пренебрежением трением качения (которое мы использовали в решении), которое в реальной ситуации не позволит катиться шару.

1

Доказательство одинаковости сил трения

0.5
2

Правильные условия равновесия в проекциях на горизонтальную и вертикальную оси

0.5
3

Правильно найдены силы трения и реакции

0.5
4

Правильный ответ

0.5
Максимум: 2

Похожие задачи

Инженерная олимпиада 2020, 11 класс, задача 5

Два стержня одинаковой длины массой m и 4m одинаковой длины скрепили шарниром и поставили на шероховатый пол (модель лестницы-стремянки). Коэффициент трения между стержнями и полом одинаков и равен k. При каком минимальном угле α между стержнями и полом конструкция будет в равновесии? Какой стержень

Инженерная олимпиада 2023, 11 класс, задача 5

Когда амперметр, вольтметр и омметр соединены «треугольником» (левый рисунок), приборы показывают: амперметр - I1 = 1 мА, вольтметр - U1 = 2 В, омметр - R1 = 2200 Ом. Какими будут показания вольтметра и омметра, если их соединить звездой (правый рисунок) и если извес

Инженерная олимпиада 2023, 10, 11 класс, задача 6

Девять жестких невесомых стержней связаны невесомыми шарнирами. На два крайних шарнира действуют одинаковые по величине силы vec F, направленные противоположно вдоль одной прямой. Все углы, отмеченные на рисунке дугами, равны 45circ. Определить силы натяжения стержней F1, F

Инженерная олимпиада 2025, 11 класс, задача 6

Кривошипно-кулисный механизм представляет собой стержень OA длиной l=1 м, который может вращаться вокруг точки O (этот стержень называется «кривошип»), и шарнирно связанный с ним AC стержень, который может свободно двигаться в маленькой поворотной втулке B (этот стержень называется «кулиса»). Извест