На гоночных автотрассах используют так называемые «выведенные» повороты, на которых дорожное полотно наклонено под некоторым углом $альфа$ к горизонту внутрь поворота. Известно, что при определенном угле $альфа$ автомобиль может двигаться с постоянной скоростью V = 120 км/ч по повороту с радиусом R = 300 м таким образом, что полная сила реакции полотна дороги все время перпендикулярна полотну, то есть у этой силы нет составляющих, параллельных полотну. При какой скорости Vм автомобиль начнет скользить поперек трассы и может быть «выкинут» с нее наружу поворота, если коэффициент трения колес о трассу равен $\mu=0,8?$ Считайте, что в момент начала скольжения у силы трения нет составляющей в направлении движения.
Какие законы Вы использовали для описания движения автомобиля? Обоснуйте их применимость к данному случаю.
Какие законы Вы использовали для описания движения автомобиля? Обоснуйте их применимость к данному случаю.
💡 Пошаговый разбор и решение:
Обоснование.
Будем считать систему отсчета, связанную с полотном дороги, инерциальной, автомобиль — материальной точкой, движущейся по оси полотна трассы на повороте известного радиуса с постоянной по модулю скоростью. При таких предположениях можно пользоваться законами динамики (2-м и 3-м законами Ньютона) и уравнениями кинематики для вращательного движения, а также свойствами силы сухого трения. В рамках простейшей модели (закон Кулона — Амантона) эта сила является касательной составляющей силы полной реакции опоры и направлена противоположно направлению смещения (действительного или возможного) тела относительно опоры. Модуль силы сухого трения не может превышать $\mu N$ где $\mu$ — коэффициент сухого трения, N — модуль силы нормальной реакции опоры.
Перейдем к решению.
Рассмотрим вначале первый случай, когда полная сила реакции полотна дороги направлена перпендикулярно ему и не имеет параллельных составляющих (сил трения).
1. На автомобиль, движущийся по наклонному полотну дороги, действуют сила тяжести $m\vecg$ (здесь m — масса автомобиля), сила реакции опоры $\vecN$ которая по условию должна быть перпендикулярна полотну дороги, и силы сопротивления движению, которые нас не интересуют, поскольку они направлены вдоль постоянной скорости автомобиля $\vecV$ перпендикулярно силам $m\vecg$ и $\vecN$
[рис.]
2. Интересующие нас силы, складываясь по правилу параллелограмма, дают в сумме центростремительную силу $\vecF=m\vecg + \vecN$ которая обеспечивает движение автомобиля по горизонтальной дуге окружности радиусом R (см. рис.; скорость $\vecV$ направлена за его плоскость).
Как следует из рисунка, модуль центростремительной силы равен:
$F=N \cdot \sin альфа$ а $N= \frac{mg}{\cos альфа}$ откуда $F=mg \cdot \text{tg} альфа$
3. Согласно второму закону Ньютона с учетом выражения для центростремительного ускорения имеем:
$ma_цс= $\frac{mV ^2}{R}$ =F=mg \cdot tg альфа$ откуда $альфа = \arctan [ $\frac{V ^2}{( Rg )}$ ]$
4. Подставляя числа из условия, получаем (1 м/с = 3,6 км/час):
$альфа = \arctan [ \frac{( $\frac{120}{3,6}$ ) ^2 ,}{( 300 \cdot 10 )} ] \approx \arctan ( $\frac{1111,11}{3000}$ ) \approx \arctan ( 0,3704 ) \approx 20,33 ^{\circ}$
Далее рассмотрим второй случай, когда сила сухого трения покоя, удерживающая автомобиль от скольжения наружу поперек дороги, достигает своего максимального значения $F_тр=\mu N$ при найденном угле $альфа \approx 20,33 ^{\circ}$
5. Снова изобразим на рисунке силы, действующие на автомобиль. При этом новые обозначения для изменившихся сил снабдим индексом «н»:
[рис.]
6. Суммарная центростремительная сила, обеспечивающая движение автомобиля по горизонтальной дуге окружности радиусом R, равна теперь $\vecF_н=m\vecg + \vecN_н + \vecF_тр$ где $F_тр=\mu N_н$
7. Сложим вначале векторы $\vecN_н$ и $\vecF_тр$ а затем $( \vecN_н + \vecF_тр )$ и $m\vecg$ Как видно из построения на рисунке:
$\text{tg} гамма = $\frac{F_тр}{N_н}$ = $\frac{\mu N_н}{N_н}$ =\mu=0,8$
откуда $гамма = \arctan \mu\approx 38,68 ^{\circ}$ Угол между векторами $\vecF_н$ и $( \vecN_н + \vecF_тр )$ равен:
$бета =90 ^{\circ} - альфа - гамма \approx 90 ^{\circ} - 20,33 ^{\circ} - 38,68 ^{\circ} \approx 31 ^{\circ}$
а $\text{tg} бета \approx 0,6003$
8. Поскольку $F_н= \frac{mg}{\text{tg} \betta} = \frac{mV ^2 _м}{R}$ то:
$V_м= \sqrt{аргумента: \frac{gR}{\text{tg} бета}} аргумента \approx \sqrt{аргумента: $\frac{10 \cdot 300}{0,6003}$} аргумента \approx 70,7м/с \approx 254км/час$
Ответ: $V_м= \sqrt{аргумента: \frac{gR}{\text{tg} бета}} аргумента \approx 70,7м/с \approx 254км/час$ здесь $бета =90 ^{\circ} - \arctan [ $\frac{V ^2}{( Rg )}$ ] - \arctan \mu\approx 31 ^{\circ}$
Будем считать систему отсчета, связанную с полотном дороги, инерциальной, автомобиль — материальной точкой, движущейся по оси полотна трассы на повороте известного радиуса с постоянной по модулю скоростью. При таких предположениях можно пользоваться законами динамики (2-м и 3-м законами Ньютона) и уравнениями кинематики для вращательного движения, а также свойствами силы сухого трения. В рамках простейшей модели (закон Кулона — Амантона) эта сила является касательной составляющей силы полной реакции опоры и направлена противоположно направлению смещения (действительного или возможного) тела относительно опоры. Модуль силы сухого трения не может превышать $\mu N$ где $\mu$ — коэффициент сухого трения, N — модуль силы нормальной реакции опоры.
Перейдем к решению.
Рассмотрим вначале первый случай, когда полная сила реакции полотна дороги направлена перпендикулярно ему и не имеет параллельных составляющих (сил трения).
1. На автомобиль, движущийся по наклонному полотну дороги, действуют сила тяжести $m\vecg$ (здесь m — масса автомобиля), сила реакции опоры $\vecN$ которая по условию должна быть перпендикулярна полотну дороги, и силы сопротивления движению, которые нас не интересуют, поскольку они направлены вдоль постоянной скорости автомобиля $\vecV$ перпендикулярно силам $m\vecg$ и $\vecN$
[рис.]
2. Интересующие нас силы, складываясь по правилу параллелограмма, дают в сумме центростремительную силу $\vecF=m\vecg + \vecN$ которая обеспечивает движение автомобиля по горизонтальной дуге окружности радиусом R (см. рис.; скорость $\vecV$ направлена за его плоскость).
Как следует из рисунка, модуль центростремительной силы равен:
$F=N \cdot \sin альфа$ а $N= \frac{mg}{\cos альфа}$ откуда $F=mg \cdot \text{tg} альфа$
3. Согласно второму закону Ньютона с учетом выражения для центростремительного ускорения имеем:
$ma_цс= $\frac{mV ^2}{R}$ =F=mg \cdot tg альфа$ откуда $альфа = \arctan [ $\frac{V ^2}{( Rg )}$ ]$
4. Подставляя числа из условия, получаем (1 м/с = 3,6 км/час):
$альфа = \arctan [ \frac{( $\frac{120}{3,6}$ ) ^2 ,}{( 300 \cdot 10 )} ] \approx \arctan ( $\frac{1111,11}{3000}$ ) \approx \arctan ( 0,3704 ) \approx 20,33 ^{\circ}$
Далее рассмотрим второй случай, когда сила сухого трения покоя, удерживающая автомобиль от скольжения наружу поперек дороги, достигает своего максимального значения $F_тр=\mu N$ при найденном угле $альфа \approx 20,33 ^{\circ}$
5. Снова изобразим на рисунке силы, действующие на автомобиль. При этом новые обозначения для изменившихся сил снабдим индексом «н»:
[рис.]
6. Суммарная центростремительная сила, обеспечивающая движение автомобиля по горизонтальной дуге окружности радиусом R, равна теперь $\vecF_н=m\vecg + \vecN_н + \vecF_тр$ где $F_тр=\mu N_н$
7. Сложим вначале векторы $\vecN_н$ и $\vecF_тр$ а затем $( \vecN_н + \vecF_тр )$ и $m\vecg$ Как видно из построения на рисунке:
$\text{tg} гамма = $\frac{F_тр}{N_н}$ = $\frac{\mu N_н}{N_н}$ =\mu=0,8$
откуда $гамма = \arctan \mu\approx 38,68 ^{\circ}$ Угол между векторами $\vecF_н$ и $( \vecN_н + \vecF_тр )$ равен:
$бета =90 ^{\circ} - альфа - гамма \approx 90 ^{\circ} - 20,33 ^{\circ} - 38,68 ^{\circ} \approx 31 ^{\circ}$
а $\text{tg} бета \approx 0,6003$
8. Поскольку $F_н= \frac{mg}{\text{tg} \betta} = \frac{mV ^2 _м}{R}$ то:
$V_м= \sqrt{аргумента: \frac{gR}{\text{tg} бета}} аргумента \approx \sqrt{аргумента: $\frac{10 \cdot 300}{0,6003}$} аргумента \approx 70,7м/с \approx 254км/час$
Ответ: $V_м= \sqrt{аргумента: \frac{gR}{\text{tg} бета}} аргумента \approx 70,7м/с \approx 254км/час$ здесь $бета =90 ^{\circ} - \arctan [ $\frac{V ^2}{( Rg )}$ ] - \arctan \mu\approx 31 ^{\circ}$
Правильный ответ:
$V_м= корень из: начало аргумента: дробь: числитель: gR, знаменатель: тангенс бета конец дроби конец аргумента \approx 70,7м/с \approx 254км/час$ здесь $бета =90 градусов минус арктангенс левая квадратная скобка дробь: числитель: V в квадрате , знаменатель: левая круглая скобка Rg правая круглая скобка конец дроби правая квадратная скобка минус арктангенс \mu\approx 31 градусов$
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 109273 • Задание №30
В аттракционе человек движется на тележке по рельсам и совершает «мертвую петлю» в вертикальной плоскости. С к...
ID 105986 • Задание №13
На рисунке приведена зависимость силы тока от времени в катушке колебательного контура. Каким станет период св...
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Критерий 1
Верно обоснована возможность использования законов (закономерностей). В данном случае: ИСО, материальная точка, условия применения законов Ньютона, модель для силы сухого трения. | 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: выражения для моментов сил относительно оси вращения, условия равновесия твердого тела в ИСО и закон Архимеда);
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 расчеты, 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 объеме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; 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 нем 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). В данном случае: ИСО, материальная точка, условия применения законов Ньютона, модель для силы сухого трения. | 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: выражения для моментов сил относительно оси вращения, условия равновесия твердого тела в ИСО и закон Архимеда);
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 расчеты, 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 объеме или отсутствуют.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; 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 нем 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 №29 по предмету Физика:
ID 109084
В преддверии летнего сезона пожаров двое пожарных в одной из деревень решили заполнить одинаков...
ID 109085
Тело, свободно падающее с некоторой высоты, первый участок пути проходит за время $\tau =1c$ а ...
ID 109086
Тело, свободно падающее с некоторой высоты из состояния покоя, за время $\tau = 1c$ после начал...
ID 109087
Маленький шарик падает сверху на наклонную плоскость и упруго отражается от нее. Угол наклона п...
ID 109088
Наклонная плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью по прямой AB. Угол между плоскостя...