Рассмотрим качель с ребёнком в нижней точке траектории качели. Ребёнок действует на качель весом Р. Сама качель по Третьему закону Ньютона действуют на ребёнка с такой же по модулю силой, что и он - на неё. Силой реакции опоры N:
N = P
Если теперь рассмотреть все силы, которые действуют на ребёнка в нижней точке, то получим силу тяжести mg и силу реакции опоры N. Кроме того, ребёнок движется криволинейно (траектория качели не прямая). Значит, какая-то сила заставляет его двигаться так. И этой силой является равнодействующая силы тяжести mg и силы реакции опоры N.
Силу, действующую на тело, которое движется с ускорением (а криволинейное движение - это всегда движение с ускорением), находят по Второму закону Ньютона:
F = ma, где а = υ²/R => F = mυ²/R
Длина подвеса качели - это и есть радиус кривизны движения качели (а значит и рассматриваемого тела - ребёнка), следовательно, конечный вид формулы будет следующим:
F = mυ²/L
Остаётся только представить равнодействующую F.
Сила тяжести mg - это сила, с которой Земля притягивает ребёнка, значит она направлена вниз, к земной поверхности. Сила реакции опоры N сопротивляется весу ребёнка P, который направлен туда же, куда и сила тяжести mg. Значит N будет направлена вверх, в противоположную сторону. Равнодействующая F удерживает ребёнка так, что он не падает вниз. Значит, F направлена туда же, куда и N.
Обеспечим все силы, которые направлены в одну и ту же сторону, знаком "+". Все силы, которые направлены в противоположную сторону - знаком "-". Например, силу тяжести mg запишем со знаком "-". Тогда уравнение равнодействующей будет таким:
Пока ничего не будем делать с высотой h и остальными величинами (хотя переживать по поводу массы Земли и её радиуса не приходится - значения табличные). Мы знаем, что спутник движется по окружности - его движение является криволинейным. А всякое криволинейное движение происходит с ускорением. Тогда по Второму закону Ньютона:
Fтяг = ma = mυ²/L,
где L = R + h => Fтяг = mυ²/(R + h)
Снова приравняем к формуле силы тяжести:
mυ²/(R + h) = mg | : m
υ²/(R + h) = g
Теперь подставим вместо g его выражение из закона всемирного тяготения:
υ²/(R + h) = GM/(R + h)² | * (R + h)
υ² = GM/(R + h)
Отлично. Теперь можно подставлять выражения m и υ² в формулу кинетической энергии:
Ек = mυ²/2 = (Fтяж*(R + h)²/(GM) * GM/(R + h)) / 2 = Fтяж*(R + h)/2 - остаётся разобраться с h
В задаче указывают радиус орбиты. И ясное дело, что этот радиус будет равен сумме радиуса Земли и высоты над её поверхностью:
Дано:
m = 40 кг
Р = 800 Н
L = 2,5 м
g = 10 м/с²
υ - ?
Распишу подробно.
Рассмотрим качель с ребёнком в нижней точке траектории качели. Ребёнок действует на качель весом Р. Сама качель по Третьему закону Ньютона действуют на ребёнка с такой же по модулю силой, что и он - на неё. Силой реакции опоры N:
N = P
Если теперь рассмотреть все силы, которые действуют на ребёнка в нижней точке, то получим силу тяжести mg и силу реакции опоры N. Кроме того, ребёнок движется криволинейно (траектория качели не прямая). Значит, какая-то сила заставляет его двигаться так. И этой силой является равнодействующая силы тяжести mg и силы реакции опоры N.
Силу, действующую на тело, которое движется с ускорением (а криволинейное движение - это всегда движение с ускорением), находят по Второму закону Ньютона:
F = ma, где а = υ²/R => F = mυ²/R
Длина подвеса качели - это и есть радиус кривизны движения качели (а значит и рассматриваемого тела - ребёнка), следовательно, конечный вид формулы будет следующим:
F = mυ²/L
Остаётся только представить равнодействующую F.
Сила тяжести mg - это сила, с которой Земля притягивает ребёнка, значит она направлена вниз, к земной поверхности. Сила реакции опоры N сопротивляется весу ребёнка P, который направлен туда же, куда и сила тяжести mg. Значит N будет направлена вверх, в противоположную сторону. Равнодействующая F удерживает ребёнка так, что он не падает вниз. Значит, F направлена туда же, куда и N.
Обеспечим все силы, которые направлены в одну и ту же сторону, знаком "+". Все силы, которые направлены в противоположную сторону - знаком "-". Например, силу тяжести mg запишем со знаком "-". Тогда уравнение равнодействующей будет таким:
F = N + (-mg) = N - mg
Т.к. F = mυ²/L, то:
N - mg = mυ²/L - выражаем скорость:
(N - mg)*L = mυ²
(N - mg)*L/m = υ²
υ² = NL/m - mgL/m
υ² = NL/m - gL
υ² = L*(N/m - g)
υ = √(L*(N/m - g)) = √(2,5*(800/40 - 10)) = √(2,5*(20 - 10)) = √(2,5*10) = √25 = 5 м/с
ответ: 5 м/с .
Дано:
Fтяж = 4 кН = 4*10³ Н
R' = 10000 км = 10000*10³ м = 10⁷ м
Ек - ?
Ек = mυ²/2
Используем закон всемирного тяготения:
Fтяг = G*m*M/(R + h)²,
где М - масса Земли, R - её радиус, h - высота над поверхностью Земли, m - масса спутника
Приравняем эту формулу к формуле силы тяжести (потому что сила тяжести - это частный случай закона всемирного тяготения)
Fтяг = Fтяж
G*m*M/(R + h)² = mg | : m
GM/(R + h)² = g
Тогда мы можем выразить массу m из формулы силы тяжести:
Fтяж = mg
m = Fтяж/g = Fтяж/(GM/(R + h)²) = Fтяж*(R + h)²/(GM)
Пока ничего не будем делать с высотой h и остальными величинами (хотя переживать по поводу массы Земли и её радиуса не приходится - значения табличные). Мы знаем, что спутник движется по окружности - его движение является криволинейным. А всякое криволинейное движение происходит с ускорением. Тогда по Второму закону Ньютона:
Fтяг = ma = mυ²/L,
где L = R + h => Fтяг = mυ²/(R + h)
Снова приравняем к формуле силы тяжести:
mυ²/(R + h) = mg | : m
υ²/(R + h) = g
Теперь подставим вместо g его выражение из закона всемирного тяготения:
υ²/(R + h) = GM/(R + h)² | * (R + h)
υ² = GM/(R + h)
Отлично. Теперь можно подставлять выражения m и υ² в формулу кинетической энергии:
Ек = mυ²/2 = (Fтяж*(R + h)²/(GM) * GM/(R + h)) / 2 = Fтяж*(R + h)/2 - остаётся разобраться с h
В задаче указывают радиус орбиты. И ясное дело, что этот радиус будет равен сумме радиуса Земли и высоты над её поверхностью:
R' = R + h - выражаем h:
h = R' - R - подставляем в конечную формулу:
Ек = Fтяж*(R + (R' - R))/2 = Fтяж*R'/2 = 4*10³*10⁷/2 = (4/2)*10¹⁰ = 2*10¹⁰ = 20*10⁹ Дж = 20 ГДж
ответ: 20.