Призма

Очень сложная
Механика

На шероховатой горизонтальной поверхности стола находится система, состоящая из призмы массой , снабжённой лёгким блоком, и бруска массой (см. рис.). Боковая поверхность призмы является гладкой, а угол между гранью, на которой находится брусок, и поверхностью стола равен (). К бруску привязана лёгкая нерастяжимая нить, перекинутая через блок, к противоположному концу которой приложена горизонтальная сила . Известно, что ускорение призмы не зависит от величины этой силы.

Рисунок из условия

  1. Определите возможные значения коэффициента трения между призмой и поверхностью стола.

  2. Для каждого из полученных в пункте 1 значений найдите ускорение призмы .

Ускорение свободного падения равно . Наклонный отрезок нити параллелен левой боковой грани призмы. Трение в оси блока отсутствует.

Ответ

Первый способ решения

Рисунок из решения

Изобразим силы, действующие на призму (рис. 1). Обозначим силу взаимодействия между бруском и призмой, — силу нормальной реакции, а — силу трения, действующую на призму со стороны стола. Тогда

Ускорение бруска относительно стола, для удобства, разложим на две составляющие: ускорение призмы и ускорение бруска относительно поверхности призмы , которое направлено параллельно её левой боковой поверхности (рис. 2).

Рисунок из решенияЗапишем второй закон Ньютона для бруска в проекции на ось, перпендикулярную направлению его относительного движения:

Полученная формула для не содержит явно величину силы , а ускорение призмы, согласно условию, не зависит от . Отсюда следует, что и не зависит от величины этой силы.

Рассмотрим два случая: 1) призма движется относительно стола; 2) трение не позволяет призме двигаться.

  1. Пусть призма скользит по поверхности стола, то есть . Тогда

и

Чтобы ускорение не зависело от силы , все слагаемые, включающие её, должны сократиться. Это возможно, если

  1. Пусть теперь призма не скользит, то есть . Тогда и

Перегруппируем выражения в полученном неравенстве:

Так как оно должно выполняться при любых значениях (в том числе при ), выражение в правой части должно быть неотрицательным, а выражение в левой части — наоборот, неположительным. Отсюда следует, что

и

Поскольку последнее неравенство — более сильное, получим, что призма будет покоиться при любом значении , если .

Используя полученное выше значение , найдём величину ускорения в случае, когда призма скользит по столу:

Второй способ решения

Изобразим силы, действующие на призму (рис. 1). Обозначим силу взаимодействия между бруском и призмой, — силу нормальной реакции, а — силу трения, действующую на призму со стороны стола. Тогда, из второго закона Ньютона в проекции на вертикальную ось:

Ускорение бруска относительно стола, для удобства, разложим на две составляющие: ускорение призмы и ускорение бруска относительно поверхности призмы , которое направлено параллельно её левой боковой поверхности (рис. 2). Запишем второй закон Ньютона для бруска в проекции на ось, перпендикулярную направлению его относительного движения:

Полученная формула для не содержит явно величину силы , а ускорение призмы, согласно условию, не зависит от . Отсюда следует, что и не зависит от величины этой силы.

Рисунок из решения

Рассмотрим случай, когда призма скользит. Результирующая сила , действующая на блок со стороны нити, направлена под углом к вертикали (рис. 3). Вместо и введём вектор полной силы реакции опоры

Из второго закона Ньютона для призмы в проекции на ось , перпендикулярную силе :

В приведённой формуле все слагаемые, кроме , не зависят от , это означает, что . Такое возможно, если вектор направлен перпендикулярно оси , т. е. под углом к вертикали. Тогда коэффициент трения:

Ускорение найдём, подставив в соотношение (a):

Откуда

В случае, когда трение не позволяет призме двигаться, сумма сил, действующих на неё, равна нулю:

Рисунок из решения

Рассмотрим одно из возможных значений , тогда

Последнее неравенство показывает, что при росте угол между вертикалью и вектором будет уменьшаться. А это означает, что — предельный угол отклонения от вертикали, т. е. при .

Похожие задачи

Две резинки

На горизонтальной поверхности в точке O удерживают шайбу массой m, связанную с двумя невесомыми резинками, продетыми через зафиксированные на этой поверхности гладкие колечки B и C. Другие концы резинок закреплены в точках A и D, при этом AB=CD=L, BC=2L, BO=CO=Lsqrt2 (рис. 1). Рис. 1. Шайба, резинки

Три тигра

Три тигра одновременно начинают движение по горизонтальной поверхности с постоянными по модулю скоростями. Скорость первого тигра в любой момент времени направлена на второго, скорость второго — на третьего, а скорость третьего — на первого. Рис. 1. Начальное положение тигров В начальный момент врем

Электрическая тележка

Электрическая тележка для перемещения грузов состоит из двух цилиндрических колес и корпуса. Расстояние между осями колёс 2l. Центр масс тележки O выше пола на h и на x (x>0) правее средней точки между осями. Рис. 4. Электрическая тележка Электродвигатели сообщают колесам быстрое встречное вращение,

Угловая высота камня

Кот Леопольд стоит на горизонтальной поверхности земли на некотором расстоянии L от вертикального обрыва скалы. С края обрыва мыши бросают камень таким образом, что вектор начальной скорости камня vec v0, модуль которой равен v0=10,м/с, направлен перпендикулярно лучу зрения Лео