Роботу, у которого обе пары колес являются ведущими, одинаковы по размерам и снабжены одинаковыми шинами, предстоит въехать по наклонной плоскости длиной
1.1. При какой минимальной величине коэффициента трения между шинами и поверхностью плоскости это возможно?
1.2. Если заблокировать колеса и смазать плоскость маслом (чтобы трение стало пренебрежимо мало), то для плавного медленного подъема по плоскости к роботу необходимо прикладывать силу
1.3. Расстояние между осями передних и задних колес робота
1.4. Пусть двигатель робота развивает постоянную мощность P, и он начинает подниматься по наклонной плоскости с почти нулевой начальной скоростью. Сначала он движется с постоянным ускорением, но после достижения некоторой «критической» скорости его ускорение начинает уменьшаться. Объясните это поведение ускорения. Для мощности, равной
1.1. При и проекция длины плоскости на горизонталь равна (достаточно вспомнить о «египетском треугольнике). Перпендикулярная поверхности составляющая силы тяжести, как видно из построения, равна и она уравновешивается силой реакции поверхности N (то есть именно она прижимает робота к поверхности).
Составляющая силы тяжести вдоль поверхности равна и сила отталкивания колес робота от поверхности должна быть не меньше этой силы. С другой стороны, сила отталкивания не может быть больше максимальной силы трения покоя, примерно равной силе трения скольжения Значит, для того, чтобы робот мог заехать на наклонную поверхность, должно выполняться неравенство
1.2. Как ясно из предыдущего рассуждения. В отсутствие трение минимальная сила, необходимая для «затаскивания» робота вверх, равна поэтому кг. Отсюда находим, что масса робота
1.3. Если центр масс робота будет находиться «левее» точки опоры заднего колеса (см. рисунок), то робот не сможет подниматься по плоскости, так как опрокинется «назад». Чтобы этого не происходило, должно выполняться неравенство (нужно рассмотреть «критический» случай, когда ЦМ находится точно над точкой опоры, и воспользоваться подобием получившихся треугольников). Следовательно,
1.4. Когда робот только начинает двигаться, его колеса обязательно проскальзывают (они уже крутятся под действием двигателя, а скорость движения робота еще почти нулевая). Поэтому сила отталкивания его от поверхности равна силе трения скольжения которая не зависит от скорости. Поэтому и ускорение робота от скорости не зависит (ускорение создается результирующей силой, которая направлена вдоль плоскости и равна разности силы отталкивания и При этом часть мощности P расходуется на выделение тепла при проскальзывании. Но, когда возрастающая скорость достигает величины, при которой то вся мощность идет на разгон робота, и поэтому далее проскальзывание прекращается и сила отталкивания определяется из соотношения
(то есть убывает с ростом скорости). Поэтому и ускорение начинает убывать. Как видно, критическая скорость равна
Если подставить наши значения (как видно из условия, следует считать то
Ответ: 1.1) при 1.2) 2,5 кг; 1.3) не более 6 см; 1.4) критическая скорость 0,5 м/с.