сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 21 № 2446
i

Бру­сок может без тре­ния сколь­зить по рель­сам. К нему при­вя­за­на не­рас­тя­жи­мая не­ве­со­мая нить, ко­то­рая про­хо­дит между рель­са­ми не ка­са­ясь их. С дру­го­го конца к ней при­вя­зан вто­рой бру­сок массы в два раза мень­шей, чем пер­вый. Под­ве­шен­ный бру­сок от­кло­ни­ли на не­боль­шой угол и из­ме­ри­ли ча­сто­ту ко­ле­ба­ний. Затем брус­ки по­ме­ня­ли ме­ста­ми. Как из­ме­ни­лась ча­сто­та ко­ле­ба­ний?

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

К си­сте­ме бру­сок 1 + бру­сок 2 не при­ло­же­на внеш­няя сила вдоль рельс. По­это­му про­ек­ция по­ло­же­ния цен­тра тя­же­сти этой си­сте­мы на на­прав­ле­ние вдоль рельс дви­га­ет­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но. Будем дви­гать­ся вдоль рельс со ско­ро­стью, рав­ной про­ек­ции ско­ро­сти цен­тра масс, тогда в нашей си­сте­ме отсчёта центр масс по го­ри­зон­та­ли будет по­ко­ит­ся. В вы­бран­ной си­сте­ме ко­ор­ди­нат он будет лишь со­вер­шать малые ко­ле­ба­ния по вер­ти­ка­ли.

Центр масс на­хо­дит­ся в точке, ко­то­рая делит нить как 1 : 2, если счи­тать от верх­не­го тя­же­ло­го брус­ка 1. Пусть длина нити равна l. Тогда лёгкий бру­сок 2 со­вер­ша­ет ко­ле­ба­ния, как если бы длина нити, на ко­то­рой он под­ве­шен, была бы равна  дробь: чис­ли­тель: 2l, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби . Таким об­ра­зом, ча­сто­та ко­ле­ба­ний груза равна

 \omega_1= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 3g, зна­ме­на­тель: 2l конец дроби конец ар­гу­мен­та . \qquad левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка

К этому же ре­зуль­та­ту можно прий­ти, если рас­смот­реть со­от­но­ше­ние по­тен­ци­аль­ной и ки­не­ти­че­ской энер­гий в про­цес­се ко­ле­ба­ний. Пусть \varphi  — угол, на ко­то­рый от­кло­ни­лась нить. Ско­ро­сти дви­же­ний по го­ри­зон­та­ли брус­ка 1 и брус­ка 2 по го­ри­зон­та­ли равны со­от­вет­ствен­но  дробь: чис­ли­тель: l \dot\varphi, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби и  дробь: чис­ли­тель: 2l \dot\varphi, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби сум­мар­ная ки­не­ти­че­ская энер­гия этого дви­же­ния равна

 T= дробь: чис­ли­тель: m, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: l \dot\varphi, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те плюс дробь: чис­ли­тель: m, зна­ме­на­тель: 2 умно­жить на 2 конец дроби левая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: 2l \dot\varphi, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те = дробь: чис­ли­тель: m, зна­ме­на­тель: 6 конец дроби левая круг­лая скоб­ка l \dot\varphi пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те .

где m  — масса брус­ка 1 . По­тен­ци­аль­ная энер­гия такая же, как для обыч­но­го ма­ят­ни­ка, она равна

 \Pi= дробь: чис­ли­тель: m g l левая круг­лая скоб­ка \varphi пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 умно­жить на 2 конец дроби .

Срав­ни­вая ко­эф­фи­ци­ен­ты при \dot\varphi в квад­ра­те в ки­не­ти­че­ской энер­гии и при \dot\varphi в квад­ра­те в по­тен­ци­аль­ной энер­гии, при­хо­дим к тому же от­ве­ту (1). Во вто­ром экс­пе­ри­мен­те длина ма­ят­ни­ка для под­ве­шен­но­го тяжёлого брус­ка 1 равна  дробь: чис­ли­тель: l, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби , по­это­му

 \omega_2= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: дробь: чис­ли­тель: 3g, зна­ме­на­тель: l конец дроби конец ар­гу­мен­та .

Таким об­ра­зом,

 дробь: чис­ли­тель: \omega_2, зна­ме­на­тель: \omega_1 конец дроби = ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та .

Ответ:  дробь: чис­ли­тель: \omega_2, зна­ме­на­тель: \omega_1 конец дроби = ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та .

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии оце­ни­ва­нияБаллы
Явно ука­зан пе­ре­ход в си­сте­му от­сче­та цен­тра масс, или в ре­ше­нии такое пред­по­ло­же­ние не тре­бу­ет­ся2
За­пи­са­ны урав­не­ния, или сде­ла­ны за­ме­ча­ния, поз­во­ля­ю­щие вы­чис­лить ча­сто­ту в пер­вом слу­чае4
Пра­виль­но по­лу­че­на пер­вая ча­сто­та5
За­пи­са­ны урав­не­ния, или сде­ла­ны за­ме­ча­ния, поз­во­ля­ю­щие вы­чис­лить ча­сто­ту во вто­ром слу­чае4
Пра­виль­но по­лу­че­на вто­рая ча­сто­та10
Мак­си­маль­ный балл25
Классификатор: Ме­ха­ни­ка. Ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния