Расчётная задача с обоснованием выбора физической модели (механика) · 72 задания
- Задание №26№26Сложное
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№26Сложное
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№26Сложное
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№26Лёгкое
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№26Сложное
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№26Среднее
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№26Среднее
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№26Среднее
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№26Среднее
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№26Сложное
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№26Сложное
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№26Среднее
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
Деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с площадью дна S = 100 см2. В сосуд наливают воду так, что шар полностью погружается в жидкость, при этом нить натягивается и действует на шар с силой T. Если нить перерезать, то шар всплывёт, а уровень воды изменится на h = 5 см. Найдите силу натяжения нити T. Обоснуйте применимость законов, используемых при решении задачи.
Решение
Дано: h = 5 см = 0,05 м; S = 100 см2 = 0,01 м2; ρ = 1000 кг/м3
Найти: T - ?
Обоснование:
1) Выберем систему отсчёта, неподвижную относительно Земли, и будем считать её инерциальной (ИСО).
2) Опишем движение объекта, используя физическую модель материальной точки.
3) К телу приложены: сила тяжести, выталкивающая сила (сила Архимеда) и сила натяжения нити. С учётом положений пунктов 1 и 2 правомерно использовать второй закон Ньютона.
4) Согласно условию, шар полностью находится в воде. Трение между поверхностью шара и стенками ёмкости не учитывается. Таким образом, линии действия всех внешних сил, за исключением натяжения нити, проходят через геометрический центр шара. Это означает, что суммарный момент данных сил относительно центральной оси равен нулю. Поскольку в ИСО шар находится в состоянии равновесия, общий момент всех приложенных сил также равен нулю. Из этого следует, что момент силы натяжения нити относительно оси через центр шара равен нулю, а значит, вектор этой силы направлен вдоль прямой, пересекающей центр шара.
Решение:
В первом состоянии шар удерживается нитью у дна. На него влияют три силы: тяжести, Архимеда и натяжения. Запишем условие статического равновесия:
(F→)a1+mg→+T→=0(1)
Спроецируем силы на вертикальную ось Oy, направленную вверх:
Fa1−T−mg=0(2), здесь m обозначает массу шара.
Fa1=ρgV(3), здесь V — полный объём шара.
Объединим выражения (3) и (2):
ρgV−T−mg=0(4)
Для второго случая условие равновесия примет вид:
(F→)a2+mg→=0(5)
Запишем проекцию на ось Oy:
Fa2−mg=0(6)
Fa2=ρgV1(7), здесь V1 — объём части шара, находящейся под водой.
Подставим формулу (7) в уравнение (6):
ρgV1−mg=0(8)
Рассмотрим совместно уравнения (4) и (8):
{ρgV−T−mg=0(9)ρgV1−mg=0(10)
Найдём разность между выражениями (9) и (10):
ρgV−T−mg−ρgV1+mg=0(11)
T=ρgV−ρgV1=0(12)
T=ρg(V−V1)=0(13)
V−V1=Sh(14)
Используя соотношение (14), преобразуем формулу (13):
T=ρgSh(15)
T=1000⋅10⋅0,05⋅0,01
T=5Н
Ответ: T = 5 Н
Источник: ФИПИ