Задание №26 — Сила трения (покоя, скольжения)
Однородный тонкий стержень массой m одним концом шарнирно прикреплён к потолку, a другим концом опирается на массивную горизонтальную доску, образуя с ней угол Под действием горизонтальной силы 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 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.

Проверка решения с помощью ИИ доступна авторизованным пользователям
Решение:
Обоснование применимости законов. Все тела рассматриваем в инерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй. Доска движется поступательно и равномерно (), 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 ; 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 и сила трения со стороны стержня.
Обозначения. — искомая масса стержня; — длина стержня; — угол между стержнем и доской; Н — модуль горизонтальной силы, приложенной к доске; — коэффициент трения стержня по доске; — модуль силы нормальной реакции доски, действующей на стержень; — модуль силы трения скольжения между стержнем и доской; м/с2.
Рисунок (силы). На стержень действуют: сила тяжести , приложенная в середине стержня и направленная вертикально вниз; в нижнем конце — сила нормальной реакции доски , направленная вертикально вверх, и сила трения скольжения , направленная горизонтально влево (в сторону движения доски); в верхнем конце — сила реакции шарнира (её направление заранее неизвестно, но её момент относительно шарнира равен нулю). На доску действуют: приложенная сила — горизонтально влево; сила нормального давления стержня — вертикально вниз ( по третьему закону Ньютона); сила трения со стороны стержня — горизонтально вправо, против движения доски (); 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:
2. Стержень. Запишем правило моментов относительно горизонтальной оси, проходящей через шарнир перпендикулярно плоскости рисунка. Нижний конец стержня удалён от шарнира по горизонтали на и по вертикали на , центр стержня — на по горизонтали.
Момент силы тяжести (вертикальная сила, плечо — горизонтальное расстояние): — он поворачивает стержень в сторону увеличения угла .
Момент силы нормальной реакции (вертикальная сила, плечо — горизонтальное расстояние): — противоположного направления.
Момент силы трения (горизонтальная сила, плечо — вертикальное расстояние): — так как сила трения направлена влево, то есть отодвигает нижний конец от вертикали, проходящей через шарнир, её момент направлен так же, как момент силы .
Условие равновесия стержня по моментам:
Длина стержня сокращается:
Численный расчёт ():
Проверка: при формула даёт , 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 кг.
Ответ: кг.