Максим вирішив спуститися на санчатах з гірки довжиною 20 м і висотою 2 м, і не помітив замет біля її підніжжя. Обчисліть швидкість, з якою хлопчик в'їхав у цей замет, якщо він з'їжджав без початкової швидкості, а середня сила опору руху санчат дорівнювала 22.5 Н. Маса санчат разом і у хлопчиком 60 кг
В задаче три вида энергии: кинетическая поступательного движения, кинетическая вращательного и потенциальная. Посчитаем каждую из них глядя на картинку.
Кин. эн. поступ. движения:
Вращательного:
(здесь использована кинематическая связь между углами )
И потенциальная:
(последнее равенство, на самом деле, приближенное. Здесь использована малость угла , а именно, первые два члена разложения косинуса в ряд Тейлора: ).
Полная энергия в процессе движения, конечно, сохраняется. Так и запишем.
Вообще, по школьному алгоритму нужно сейчас это уравнение продифференцировать по времени, но можно этого и не делать, а вместо этого сказать такие слова: уравнение вида является тем, что в теоретической механике называется первым интегралом уравнения гармонического осциллятора . Омеги, стоящие перед вторыми членами в этих уравнениях в силу некоторых, скорее даже, математических причин, совпадают.
Ну и все тогда, пишем квадрат круговой частоты, внимательно глядя на закон сохранения энергии.
Обратите внимание, что ответ не зависит от массы кольца!
P.S. можно похулиганить немножко, предположив, что , то есть, что радиус ямы намного больше радиуса кольца. Тогда выражение для периода вырождается в соответствии с предположением (по рабоче-крестьянски, мы тут пренебрегаем квадратом радиуса кольца), в более красивый ответ:
Обратите внимание, что в этом приближении ответ не зависит даже от радиуса кольца, но зависит, конечно, от радиуса ямы (который в условии очень напрасно не дан). Последнее легко видеть, положив радиус ямы равным бесконечности. Тогда у нас задача превращается в катание колеса по плоскости. В этом случае никаких колебаний нет, а формально, их период равен бесконечности. Теперь ясно, что ответ обязательно должен зависеть от радиуса ямы.
Q2=mλ= 20кг × 330000 дж/кг= 6600000 дж- теплота , которая потребуется для того , чтобы расплавить лёд.
Q3=mc'60 = 20 кг × 4200 дж/кг·°с × 60 °= 5040000 дж- теплота , которая нужна для нагревания воды до 60 градусов.
η=Асов/ Апол . Асов = Q1 + Q2 + Q3 =12060000 дж , η= 0,4 Отсюда находим Апол= Асов/ η=12060000/ 0,4= 30150000 дж
Апол = М ×p , где М - вес дров , p - удельная теплоёмкость сгорания = 10200000 дж/кг ... Отсюда М= Апол/ р = 30150000/ 10200000 = 2.96кг ≈3 кг