Задание №22 — Условия равновесия тела
Невесомый стержень длиной 3 м, находящийся в ящике с гладкими дном и стенками, составляет с вертикалью угол (см. рис.). К стержню на расстоянии 1 м от левого его конца подвешен на нити шар массой 3 кг. Каков модуль силы нормальной реакции правой стенки ящика, действующей на нижний конец стержня?

Проверка решения с помощью ИИ доступна авторизованным пользователям
Решение:
Обозначения. — длина стержня, — его верхний (левый) конец, упирающийся в левую стенку, — нижний (правый) конец, лежащий в углу ящика, — точка подвеса шара, — расстояние от левого конца стержня, — масса шара, — угол стержня с вертикалью, — ускорение свободного падения. Через обозначим модуль силы нормальной реакции правой стенки, действующей на нижний конец стержня, через — модуль силы нормальной реакции левой стенки, действующей на верхний конец, через — модуль силы нормальной реакции дна.
Силы, действующие на стержень. Стержень невесом и покоится. Стенки и дно гладкие, поэтому их реакции перпендикулярны соответствующим поверхностям:
- в точке — сила со стороны левой стенки, направленная горизонтально вправо;
- в точке — сила со стороны правой стенки, направленная горизонтально влево, и сила со стороны дна, направленная вертикально вверх;
- в точке — сила натяжения нити, направленная вертикально вниз; шар висит на нити в покое, поэтому по второму закону Ньютона для шара натяжение нити равно , и по третьему закону Ньютона нить тянет стержень вниз с такой же по модулю силой .
Условия равновесия. Для покоящегося твёрдого тела векторная сумма всех приложенных сил равна нулю и алгебраическая сумма моментов всех сил относительно любой оси равна нулю.
Проекция условия равновесия сил на горизонтальную ось: , то есть .
Правило моментов относительно нижнего конца . Моменты сил и относительно этой оси равны нулю, так как их плечи равны нулю. Плечо горизонтальной силы равно вертикальному расстоянию от до , то есть . Плечо вертикальной силы равно горизонтальному расстоянию от до , то есть . Эти моменты противоположны по знаку, поэтому
.
Отсюда
.
Расчёт. .
Проверка. Из условия равновесия в проекции на вертикаль . Полученное значение разумно: чем ближе точка подвеса к верхнему концу, тем меньше плечо силы тяжести шара относительно и тем меньше распорная сила; при (шар на нижнем конце) получилось бы .
Ответ: .