Как будут двигаться шайбы после абсолютно упругого центрального удара, если одна из них покоилась? Шайбы двигаются по гладкой горизонтальной поверхности. Массы шайб различны.
Могут быть ошибки, поэтому советую проверить) Сначала выбегает Винни пух. А через пол часа - ослик. За 10 минут(или 1/6 часа) он развил скорость, равную скорости Винни пуха. То есть к 30 минутам прибавляем 10 минут и получаем 40 минут, то есть то время, за которое Винни пух набрал скорость 2/3a₁. По условию, Именно эту скорость развил ослик за 10 мин. Теперь можно найти ускорение a₂ ослика: (2/3a₁)/(1/6 ч) = 4a₁. То есть ускорение ослика в 4 раза больше ускорения Винни пуха. Ослик догонит Винни пуха тогда, когда пути пройденные ими обоими сравняются, то есть 4a₁t²/2 = a₁t²/2 + 0,5²a₁/2 ( выражение 0,5²a₁/2 - это тот путь, который Винни пух, когда ослик еще не стартовал) Получаем: 4a₁t² = a₁t²+0,25a₁; 4a₁t² = a₁(t²+0,25) a₁ никакого вклада не вносит, поэтому сокращаем его: 4t² = t²+0,25 3t² = 0,25 t² = 1/12 t ≈ 0,29 ч Или, что примерно равно, 17 минут
Сначала выбегает Винни пух. А через пол часа - ослик.
За 10 минут(или 1/6 часа) он развил скорость, равную скорости Винни пуха.
То есть к 30 минутам прибавляем 10 минут и получаем 40 минут, то есть то время, за которое Винни пух набрал скорость 2/3a₁. По условию, Именно эту скорость развил ослик за 10 мин. Теперь можно найти ускорение a₂ ослика: (2/3a₁)/(1/6 ч) = 4a₁. То есть ускорение ослика в 4 раза больше ускорения Винни пуха.
Ослик догонит Винни пуха тогда, когда пути пройденные ими обоими сравняются, то есть 4a₁t²/2 = a₁t²/2 + 0,5²a₁/2 ( выражение 0,5²a₁/2 - это тот путь, который Винни пух, когда ослик еще не стартовал)
Получаем: 4a₁t² = a₁t²+0,25a₁;
4a₁t² = a₁(t²+0,25)
a₁ никакого вклада не вносит, поэтому сокращаем его:
4t² = t²+0,25
3t² = 0,25
t² = 1/12
t ≈ 0,29 ч
Или, что примерно равно, 17 минут
Запишем законы:
сохранения испульса ЗСИ,
сохранения энергии ЗСЭ
и сохранения момента импульса ЗСМИ :
mvo = mv + MV – ЗСИ, где vo, v и V – начальная скорость шарика и конечные скорости шарика и центра масс стержня;
mvo²/2 = mv²/2 + MV²/2 + Jω²/2 – ЗСЭ, где ω – угловая скорость вращения стержня с моментом инерции J = ML²/12 ;
mrvo = mrv + Jω – ЗСМИ , где r – расстояние от середины стержня до точки удара;
Из ЗСМИ и ЗСМ:
MV = Jω/r ;
M²V² = J²ω²/r² ;
MV² = J²ω²/[Mr²] ;
Тогда можно переписать ЗСЭ и ЗСМИ так:
m ( vo² – v² ) = Jω² ( 1 + J/[Mr²] ) ; ЗСЭ *
m ( vo – v ) = Jω/r ; ЗСМИ *
Разделим:
vo + v = ωr ( 1 + J/[Mr²] ) ; || * m
Сложим с ЗСМИ * :
2mvo = mωr ( 1 + J/[Mr²] ) + Jω/r = ω ( mr ( 1 + J/[Mr²] ) + J/r ) =
= ω ( mr + ( 1 + m/M )J/r ) = ω ( mr + (M+m)L²/[12r] ) ;
ω(r) = 2vo/[ r + (1+M/m)L²/(12r) ] ;
Найдём экстремум ω(r) , решив уравнение: dω/dr = 0 ;
dω/dr = 2vo ( (1+M/m)L²/[12r²] – 1 ) / ( r + (1+M/m)L²/[12r] )² = 0 ;
Ясно, что при r² < (1+M/m)L²/12 : ω(r) – растёт, а затем – падает.
Итак: r(ωmax) = L/2 √[(1+M/m)/3] ) ;
Что верно пока соотношения масс M ≤ 2m, и если M=2m то r(ωmax) = L/2,
т.е. шарик при таком соотношени должен попасть в конец стержня.
Если же M > 2m, то, пскольку r не может быть больше L/2, то
значит, r(ωmax) = L/2 ;
ОТВЕТ:
Если M ≤ 2m, то r(ωmax) = L/2 √[(1+M/m)/3] ) ;
Если M ≥ 2m, то r(ωmax) = L/2 ;
2)
Из полученного импульса p легко найти скорость центра масс:
p = mv;
v = p/m ;
Уравнение движения центра масс S(t) = vt = [p/m] t ; [1]
Стержень получает момент импульса относительно центар масс – pL/2, откуда легко найти угловую скорость ω :
pL/2 = Jω – где J = mL²/12 – момент инерции стержня относительно центра масс ;
ω = pL/[2J] = 6p/[mL] ;
Уравнение вращения φ(t) = ωt = [6p/mL] t ; [2]
Делим [1] на [2] и получаем:
S(t)/φ(t) = [p/m]/[6p/mL] = L/6 ;
S(φ) = Lφ/6 ;
При полном обороте φ = 2π ;
S(2π) = πL/3 ;
ОТВЕТ: S(2π) = [π/3] L .