сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 3050
i

Ро­бо­ту, у ко­то­ро­го обе пары колес яв­ля­ют­ся ве­ду­щи­ми, оди­на­ко­вы по раз­ме­рам и снаб­же­ны оди­на­ко­вы­ми ши­на­ми, пред­сто­ит въе­хать по на­клон­ной плос­ко­сти дли­ной L  =  1 м на вы­со­ту H  =  0,6 м.

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 F  =  15 Н (можно счи­тать, что эта сила со­от­вет­ству­ет весу груза мас­сой 1,5 кг). Найти массу ро­бо­та (в ки­ло­грам­мах).

1.3. Рас­сто­я­ние между осями пе­ред­них и зад­них колес ро­бо­та l  =  9 см. Пусть центр масс (ЦМ) ро­бо­та на­хо­дит­ся на оди­на­ко­вом рас­сто­я­нии от этих осей. На какой вы­со­те h (от­счи­ты­ва­е­мой от по­верх­но­сти, на ко­то­рой робот стоит всеми ко­ле­са­ми  — см. ри­су­нок) дол­жен на­хо­дить­ся центр масс, чтобы робот мог въе­хать на на­клон­ную плос­кость? Ко­эф­фи­ци­ент тре­ния шин о плос­кость \mu=0,8 боль­ше най­ден­но­го в пунк­те 3.1.

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 8 Вт, массы ро­бо­та из пунк­та 3.2 и ко­эф­фи­ци­ен­та тре­ния из пунк­та 3.3 най­ди­те ве­ли­чи­ну «кри­ти­че­ской» ско­ро­сти. Счи­тать, что мощ­ность ав­то­ма­ти­че­ски рас­пре­де­ля­ет­ся между па­ра­ми ве­ду­щих колес таким об­ра­зом, что они на­чи­на­ют и пре­кра­ща­ют про­скаль­зы­вать все­гда од­но­вре­мен­но.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

1.1. При L=1 м и H=0,6 м про­ек­ция длины плос­ко­сти на го­ри­зон­таль равна D=0,8 м (до­ста­точ­но вспом­нить о «еги­пет­ском тре­уголь­ни­ке). Пер­пен­ди­ку­ляр­ная по­верх­но­сти со­став­ля­ю­щая силы тя­же­сти, как видно из по­стро­е­ния, равна  дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m g, и она урав­но­ве­ши­ва­ет­ся силой ре­ак­ции по­верх­но­сти N (то есть имен­но она при­жи­ма­ет ро­бо­та к по­верх­но­сти).

Со­став­ля­ю­щая силы тя­же­сти вдоль по­верх­но­сти равна  дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m g, 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 F_тр=\mu N. Зна­чит, для того, чтобы робот мог за­ехать на на­клон­ную по­верх­ность, долж­но вы­пол­нять­ся не­ра­вен­ство

 дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m g мень­ше или равно \mu дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m g \Rightarrow \mu боль­ше или равно дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби .

1.2. Как ясно из преды­ду­ще­го рас­суж­де­ния. В от­сут­ствие тре­ние ми­ни­маль­ная сила, не­об­хо­ди­мая для «за­тас­ки­ва­ния» ро­бо­та вверх, равна  дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m g, по­это­му  дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби m=1,5 кг. От­сю­да на­хо­дим, что масса ро­бо­та m=2,5 кг.

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  дробь: чис­ли­тель: h, зна­ме­на­тель: дробь: чис­ли­тель: l, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби конец дроби мень­ше или равно дробь: чис­ли­тель: D, зна­ме­на­тель: H конец дроби (нужно рас­смот­реть «кри­ти­че­ский» слу­чай, когда ЦМ на­хо­дит­ся точно над точ­кой опоры, и вос­поль­зо­вать­ся по­до­би­ем по­лу­чив­ших­ся тре­уголь­ни­ков). Сле­до­ва­тель­но, h мень­ше или равно дробь: чис­ли­тель: D, зна­ме­на­тель: 2 H конец дроби l=6 см.

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 F_m p=\mu N, 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  дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 5 конец дроби mg пра­вая круг­лая скоб­ка . При этом часть мощ­но­сти P рас­хо­ду­ет­ся на вы­де­ле­ние тепла при про­скаль­зы­ва­нии. Но, когда воз­рас­та­ю­щая ско­рость до­сти­га­ет ве­ли­чи­ны, при ко­то­рой P=\mu N умно­жить на v , то вся мощ­ность идет на раз­гон ро­бо­та, и по­это­му далее про­скаль­зы­ва­ние пре­кра­ща­ет­ся и сила от­тал­ки­ва­ния опре­де­ля­ет­ся из со­от­но­ше­ния

P=F умно­жить на v \Rightarrow F= дробь: чис­ли­тель: P, зна­ме­на­тель: v конец дроби

(то есть убы­ва­ет с ро­стом ско­ро­сти). По­это­му и уско­ре­ние на­чи­на­ет убы­вать. Как видно, кри­ти­че­ская ско­рость равна

 v _с= дробь: чис­ли­тель: P, зна­ме­на­тель: \mu N конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 5, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби дробь: чис­ли­тель: P, зна­ме­на­тель: \mu m g конец дроби .

Если под­ста­вить наши зна­че­ния (как видно из усло­вия, сле­ду­ет счи­тать g \approx 10 м/с в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка , то  v _с \approx 0,5 м/с.

 

Ответ: 1.1) при \mu=0,75; 1.2) 2,5 кг; 1.3) не более 6 см; 1.4) кри­ти­че­ская ско­рость 0,5 м/с.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Участ­ни­ки от­бо­роч­но­го этапа участ­во­ва­ли в peги­о­наль­ных ро­бо­то­тех­ни­че­ских со­рев­но­ва­ни­ях и вы­пол­ня­ли за­да­ния от­бо­роч­но­го этапа по фи­зи­ке. За­да­ния ро­бо­то­тех­ни­че­ских со­рев­но­ва­ний и за­да­ния по фи­зи­ке были те­ма­ти­че­ски свя­за­ны. Все участ­ни­ки, не­за­ви­си­мо от клас­са, вы­пол­ня­ли два из че­ты­рех за­да­ний. Кри­те­рии оце­ни­ва­ния от­ве­тов были раз­лич­ны для млад­шей (7−9 клас­сы) и стар­шей (10 и 11 клас­сы) групп. Мак­си­маль­ная сумма бал­лов за ро­бо­то­тех­ни­че­ские со­рев­но­ва­ния: 60 бал­лов. Мак­си­маль­ная сумма бал­лов за одно за­да­ние: 20 бал­лов. Рас­пре­де­ле­ние бал­лов за­да­ния по во­про­сам:

Во­прос 1 — мак­си­маль­ная оцен­ка 2 балла;

Во­прос 2 — мак­си­маль­ная оцен­ка 4 балла;

Во­прос 3 — мак­си­маль­ная оцен­ка 4 балла;

Во­прос 4 — мак­си­маль­ная оцен­ка 10 бал­лов.

Классификатор: Ме­ха­ни­ка. Дви­же­ние по окруж­но­сти