Расчётная задача с обоснованием выбора физической модели (механика) · 72 задания
- Задание №26№26
Под действием постоянной горизонтальной силы F клин массой M = 1 кг движется по гладкой горизонтальной поверхности стола. По шероховатой поверхности к…
Второй закон Ньютона: для материальной точки в ИСО
- Задание №26№26
Снаряд массой 4 кг, летящий со скоростью 400 м/с, разрывается на дверавные части, одна из которых летит в направлении движения снаряда, а другая – в…
Закон изменения и сохранения импульса. Реактивное движение
- Задание №26№26
Невесомый стержень АВ длиной l = 40 см с двумя малыми грузиками массами m₁ = 200 г и m₂ = 100 г, расположенными в точках С и В соответственно, шарнирн…
Второй закон Ньютона: для материальной точки в ИСО
- Задание №26№26
Два шарика подвешены на вертикальных тонких нитях так, что они находятся на одной высоте. Между шариками находится сжатая и связанная нитью лёгкая пру…
Закон изменения и сохранения импульса. Реактивное движение
- Задание №26№26
Цилиндр массой m = 2 кг и радиусом R = 6 см, на который намотана нерастяжимая невесомая нить, положили на наклонную плоскость с углом наклона к горизо…
Условия равновесия твёрдого тела в ИСО
- Задание №26№26
Небольшое тело массой М = 0,99 кг лежит на вершине гладкой полусферы радиусом R = 1 м. В тело попадает пуля массой m = 0,01 кг, летящая горизонтально…
Криволинейное движение
- Задание №26№26
К двум вертикально расположенным пружинам одинаковой длины подвесили однородный стержень длиной L = 40 см. Если к этому стержню подвесить груз массой…
Сила упругости. Закон Гука. Вес тела
- Задание №26№26
Снаряд разорвался в полёте на две равные части, одна из которых продолжила движение в направлении движения снаряда, а другая — в противоположную сторо…
Закон изменения и сохранения импульса. Реактивное движение
- Задание №26№26
Снаряд массой 2 кг разорвался в полёте на две равные части, одна из которых продолжила движение в направлении движения снаряда, а другая — в противопо…
Закон изменения и сохранения импульса. Реактивное движение
- Задание №26№26
Невесомый стержень АВ с двумя малыми грузиками массами m₁ = 200 г и m₂ = 100 г, расположенными в точках С и В соответственно, шарнирно закреплён в точ…
Второй закон Ньютона: для материальной точки в ИСО
- Задание №26№26
Невесомый стержень АВ с двумя малыми грузиками массами m₁= 100 г и m₂ = 200 г, расположенными в точках С и В соответственно, шарнирно закреплён в точк…
Второй закон Ньютона: для материальной точки в ИСО
- Задание №26№26
К двум вертикально расположенным пружинам одинаковой длины подвесили однородный стержень массой M = 2 кг и длиной L = 40 см. Если к этому стержню подв…
Сила упругости. Закон Гука. Вес тела
Однородный тонкий стержень массой m одним концом шарнирно прикреплён к потолку, a другим концом опирается на массивную горизонтальную доску, образуя с ней угол α=30∘. Под действием горизонтальной силы F→ доска движется поступательно влево с постоянной скоростью (см. рис.). Стержень при этом неподвижен. Найдите m, если F = 2 Н, а коэффициент трения стержня по доске μ=0,2. Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на стержень и доску. Трением доски по опоре и трением в шарнире пренебречь.
Обоснуйте применимость законов, используемых для решения задачи.

Решение
Решение:
Обоснование применимости законов. Все тела рассматриваем в инерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй. Доска движется поступательно и равномерно (v=const), поэтому её ускорение равно нулю и сумма действующих на неё сил равна нулю. Стержень неподвижен, значит для него выполняются оба условия равновесия твёрдого тела: сумма внешних сил равна нулю и сумма моментов внешних сил относительно любой оси равна нулю. Стержень нельзя считать материальной точкой (он протяжённый и вращения относительно шарнира не происходит только благодаря балансу моментов), но он однородный и тонкий, поэтому его центр тяжести находится в середине, и сила тяжести приложена в этой точке. Нижний конец стержня скользит по доске (доска движется относительно стержня), поэтому в точке контакта действует сила трения скольжения, для которой справедлив закон Амонтона — Кулона Fтр=μN; она направлена по поверхности доски в сторону движения доски относительно стержня, то есть влево. Поверхность доски горизонтальна, поэтому сила нормальной реакции доски вертикальна. Трением в шарнире пренебрегаем, поэтому сила реакции шарнира приложена в точке подвеса и её момент относительно оси, проходящей через шарнир, равен нулю — выбрав эту ось, мы исключаем неизвестную реакцию шарнира из уравнения моментов. Трением доски об опору пренебрегаем, поэтому в горизонтальном направлении на доску действуют только сила F и сила трения со стороны стержня.
Обозначения. m — искомая масса стержня; l — длина стержня; α=30∘ — угол между стержнем и доской; F=2 Н — модуль горизонтальной силы, приложенной к доске; μ=0,2 — коэффициент трения стержня по доске; N — модуль силы нормальной реакции доски, действующей на стержень; Fтр=μN — модуль силы трения скольжения между стержнем и доской; g=10 м/с2.
Рисунок (силы). На стержень действуют: сила тяжести mg, приложенная в середине стержня и направленная вертикально вниз; в нижнем конце — сила нормальной реакции доски N, направленная вертикально вверх, и сила трения скольжения Fтр, направленная горизонтально влево (в сторону движения доски); в верхнем конце — сила реакции шарнира R (её направление заранее неизвестно, но её момент относительно шарнира равен нулю). На доску действуют: приложенная сила F — горизонтально влево; сила нормального давления стержня N′ — вертикально вниз (N′=N по третьему закону Ньютона); сила трения со стороны стержня Fтр′ — горизонтально вправо, против движения доски (Fтр′=μN); сила тяжести доски и сила нормальной реакции опоры — вертикальные.
1. Доска. Так как доска движется равномерно и поступательно, сумма сил равна нулю; в проекции на горизонтальное направление:
F−μN=0⇒N=μF=0,22=10 Н.
2. Стержень. Запишем правило моментов относительно горизонтальной оси, проходящей через шарнир O перпендикулярно плоскости рисунка. Нижний конец стержня удалён от шарнира по горизонтали на lcosα и по вертикали на lsinα, центр стержня — на 2lcosα по горизонтали.
Момент силы тяжести (вертикальная сила, плечо — горизонтальное расстояние): M1=mg⋅2lcosα — он поворачивает стержень в сторону увеличения угла α.
Момент силы нормальной реакции (вертикальная сила, плечо — горизонтальное расстояние): M2=Nlcosα — противоположного направления.
Момент силы трения (горизонтальная сила, плечо — вертикальное расстояние): M3=μNlsinα — так как сила трения направлена влево, то есть отодвигает нижний конец от вертикали, проходящей через шарнир, её момент направлен так же, как момент силы N.
Условие равновесия стержня по моментам:
mg2lcosα=Nlcosα+μNlsinα.
Длина стержня l сокращается:
mg=2Ncosαcosα+μsinα=2N(1+μtgα),m=μg2F(1+μtgα).
Численный расчёт (tg30∘=31≈0,577):
m=102⋅10⋅(1+0,2⋅0,577)=2⋅1,115≈2,2 кг.
Проверка: при μ→0 формула даёт m=2N/g, то есть привычный результат «половина веса стержня приходится на опору», как для стержня на шарнире и опоре в его конце. Сила трения слегка «разгружает» доску, поэтому масса получается немного больше, чем 2N/g=2 кг.
Ответ: m=μg2F(1+μtgα)≈2,2 кг.