[рис.] На шероховатой наклонной плоскости покоится цилиндр. К верхней части цилиндра по касательной прикреплена параллельная наклонной плоскости невесомая нерастяжимая нить, другой конец которой закреплен на вертикальной стене. Масса цилиндра 1 кг, радиус его основания 20 см, коэффициент трения цилиндра о наклонную плоскость 0,5. Определить предельный угол альфа, при котором цилиндр будет находиться в = весии. Какие законы Вы используете для решения задачи? Обоснуйте их применение.
💡 Пошаговый разбор и решение:
[рис.] Обоснование. 1. Рассмотрим задачу в системе отсчета, связанной с Землей. Будем считать эту систему отсчета инерциальной (ИСО).
2. Описываем цилиндр моделью твердого тела (форма и размеры тела неизменны, расстояние между двумя точками тела остается неизменным ).
3. Любое движение твердого тела является суперпозицией поступательного и вращательного движений. Поэтому условий = весия твердого тела в ИСО ровно два: одно −для поступательного движения, другое − для вращательного движения.
4. В качестве оси, относительно которой будем считать сумму моментов сил, действующих на цилиндр, выберем ось, проходящую перпендикулярно плоскости рисунка через точку касания цилиндра плоскости А.
5. Нить невесома, поэтому модуль силы натяжения нити в любой ее точке один и тот же.
6. Между цилиндром и поверхностью наклонной плоскости действует сила трения, которая в предельном случае равна $F_тр=\mu N$
Перейдем к решению. Изобразим все силы, действующие на цилиндр: сила тяжести mg, сила реакции опоры N, сила трения Fтр, сила натяжения нити Т.
Запишем правило моментов относительно точки А:
$mg \sin альфа \cdot R - T \cdot 2R=0$
Тогда получаем, что $T= \frac{mg \sin альфа}{2}$
Применим второй закон Ньютона, учитывая, что ускорение = 0:
$\vecN + \vecT + m\vecg + \vecF_тр=0$
Найдем проекцию на оси:
$Ox:T + F_тр - mg \sin альфа =0$
$Oy:N - mg \cos альфа =0$
Учитывая, что в предельном случае сила трения равна $F_тр=\mu N$ получаем:
$T + \mu mg \cos альфа - mg \sin альфа =0$
Объединяя уравнения, получаем:
$2\mu \cos альфа = \sin альфа$
Откуда находим предельный угол наклона плоскости
$альфа = \arctan 2\mu= \arctan ( 2 \cdot 0,5 ) =45 ^{\circ}$
Данный угол действительно будет максимальным, поскольку при увеличении угла наклона сила трения уменьшится, горизонтальная составляющая силы тяжести увеличится, сила натяжения нити увеличится, в результате чего = весие нарушится.
Ответ: 45°.
2. Описываем цилиндр моделью твердого тела (форма и размеры тела неизменны, расстояние между двумя точками тела остается неизменным ).
3. Любое движение твердого тела является суперпозицией поступательного и вращательного движений. Поэтому условий = весия твердого тела в ИСО ровно два: одно −для поступательного движения, другое − для вращательного движения.
4. В качестве оси, относительно которой будем считать сумму моментов сил, действующих на цилиндр, выберем ось, проходящую перпендикулярно плоскости рисунка через точку касания цилиндра плоскости А.
5. Нить невесома, поэтому модуль силы натяжения нити в любой ее точке один и тот же.
6. Между цилиндром и поверхностью наклонной плоскости действует сила трения, которая в предельном случае равна $F_тр=\mu N$
Перейдем к решению. Изобразим все силы, действующие на цилиндр: сила тяжести mg, сила реакции опоры N, сила трения Fтр, сила натяжения нити Т.
Запишем правило моментов относительно точки А:
$mg \sin альфа \cdot R - T \cdot 2R=0$
Тогда получаем, что $T= \frac{mg \sin альфа}{2}$
Применим второй закон Ньютона, учитывая, что ускорение = 0:
$\vecN + \vecT + m\vecg + \vecF_тр=0$
Найдем проекцию на оси:
$Ox:T + F_тр - mg \sin альфа =0$
$Oy:N - mg \cos альфа =0$
Учитывая, что в предельном случае сила трения равна $F_тр=\mu N$ получаем:
$T + \mu mg \cos альфа - mg \sin альфа =0$
Объединяя уравнения, получаем:
$2\mu \cos альфа = \sin альфа$
Откуда находим предельный угол наклона плоскости
$альфа = \arctan 2\mu= \arctan ( 2 \cdot 0,5 ) =45 ^{\circ}$
Данный угол действительно будет максимальным, поскольку при увеличении угла наклона сила трения уменьшится, горизонтальная составляющая силы тяжести увеличится, сила натяжения нити увеличится, в результате чего = весие нарушится.
Ответ: 45°.
Правильный ответ:
45°
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 106479 • Задание №15
[рис.] Два параллельных длинных проводника с токами I1 и I2 расположены перпендикулярно плоскости чертежа (см....
ID 103990 • Задание №6
На рисунке представлены графики процессов, проводимых с постоянным количеством идеального газа.
[рис.]
Какой ...
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Критерий 1
Верно обоснована возможность использования законов (закономерностей) | 1
В обосновании возможности использования законов (закономерностей) допущена ошибка.
ИЛИ
Обоснование отсутствует | 0
Критерий 2
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: второй и третий законы Ньютона, выражение для силы трения скольжения, условие равновесия твёрдого тела);
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений величин, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются один или несколько из следующих недостатков.
Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.).
И (ИЛИ)
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических
преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
И (ИЛИ)
Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины) | 2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев.
Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения данной задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи.
ИЛИ
В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения данной задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
ИЛИ
В ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения данной задачи (или в утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла | 0
Максимальный балл | 4
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Критерий 1
Верно обоснована возможность использования законов (закономерностей) | 1
В обосновании возможности использования законов (закономерностей) допущена ошибка.
ИЛИ
Обоснование отсутствует | 0
Критерий 2
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:
I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: второй и третий законы Ньютона, выражение для силы трения скольжения, условие равновесия твёрдого тела);
II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений величин, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);
III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);
IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются один или несколько из следующих недостатков.
Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.).
И (ИЛИ)
В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических
преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.
И (ИЛИ)
Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины) | 2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев.
Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения данной задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи.
ИЛИ
В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения данной задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
ИЛИ
В ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения данной задачи (или в утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла | 0
Максимальный балл | 4
🔗 Другие задания линии №26 по предмету Физика:
ID 108782
Два одинаковых груза массой $M=100 г$ каждый подвешены на концах невесомой и нерастяжимой нити,...
ID 108783
На последнем автосалоне в Детройте фирма «Мерседес» представила новый родстер с двигателем объе...
ID 108784
[рис.] Из двух ровных досок сделан желоб, представляющий собой двугранный угол с раствором $2 а...
ID 108785
[рис.] К одному концу легкой пружины жесткостью k = 100 Н/м прикреплен массивный груз, лежащ...
ID 108786
[рис.] В установке, изображенной на рисунке, грузик А соединен перекинутой через блок нитью с б...