сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 4218
i

Од­но­род­ный стер­жень мас­сой M=1 кг под­ве­шен на трех оди­на­ко­вых длин­ных лег­ких прак­ти­че­ски не­рас­тя­жи­мых нитях таким об­ра­зом, что все три нити вер­ти­каль­ны. При этом одна из нитей при­креп­ле­на к «ле­во­му» концу стерж­ня, дру­гая  — к точке, рас­по­ло­жен­ной на рас­сто­я­нии, рав­ном трети длины стерж­ня от этого конца, а тре­тья  — на таком же рас­сто­я­нии от вто­рой (см. ри­су­нок). К вы­сту­па­ю­ще­му «пра­во­му» концу стерж­ня при­креп­лен не­боль­шой по раз­ме­ру груз мас­сой m=110 г. Как и на сколь­ко из­ме­нит­ся сила на­тя­же­ния «сред­ней» нити, если к грузу под­ве­сить еще один, точно такой же?

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

На стер­жень дей­ству­ют силы на­тя­же­ния нитей T_1, 2, 3, сила тя­же­сти (при­ло­жен­ная к его се­ре­ди­не, так как стер­жень од­но­род­ный) и вес груза. Усло­вия рав­но­ве­сия стерж­ня  — это усло­вие ра­вен­ства нулю суммы дей­ству­ю­щих на него сил, то есть T_1 плюс T_2 плюс T_3= левая круг­лая скоб­ка M плюс m пра­вая круг­лая скоб­ка g, и усло­вие ра­вен­ства нулю суммы мо­мен­тов этих сил (на­при­мер, от­но­си­тель­но ле­во­го конца стерж­ня):

T_2 дробь: чис­ли­тель: l, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби плюс T_3 дробь: чис­ли­тель: 2 l, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби =M g дробь: чис­ли­тель: l, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби плюс m g l рав­но­силь­но T_2 плюс 2 T_3= дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби M g плюс 3 m g.

Этих урав­не­ний не хва­та­ет для од­но­знач­но­го опре­де­ле­ния сил на­тя­же­ния нитей. Если до­пол­ни­тель­но пред­по­ло­жить, что все три нити на­тя­ну­ты, то можно по­лу­чить еще одно урав­не­ние. Силы упру­го­сти нитей про­пор­ци­о­наль­ны их де­фор­ма­ци­ям, ко­то­рые малы, но все же от­лич­ны от нуля. Есте­ствен­но счи­тать, что де­фор­ма­ции стерж­ня и по­тол­ка еще во много раз мень­ше, и по­это­му де­фор­ма­ции нитей  — это от­рез­ки трех па­рал­лель­ных пря­мых между сто­ро­на­ми од­но­го угла. Так как вто­рая нить на­хо­дит­ся точно по­се­ре­ди­не между пер­вой и тре­тьей, то \square ее де­фор­ма­ция есть точно по­лу­сум­ма де­фор­ма­ций этих нитей, или 2 x_2=x_1 плюс x_3 (см. рис., на ко­то­ром для на­гляд­но­сти де­фор­ма­ции по­ка­за­ны уве­ли­чен­ны­ми). Нити по усло­вию оди­на­ко­вы, по­это­му ко­эф­фи­ци­ен­ты жест­ко­сти у них также оди­на­ко­вы, и по­это­му 2 T_2=T_1 плюс T_3 . Из этого урав­не­ния и усло­вия рав­но­ве­сия сил сразу по­лу­ча­ет­ся, что 3 T_2= левая круг­лая скоб­ка M плюс m пра­вая круг­лая скоб­ка g . Таким об­ра­зом, если все три нити на­тя­ну­ты, то

T_2= дробь: чис­ли­тель: M плюс m, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби g \approx 3,7 Н

(если счи­тать, что g \approx 10 м/с в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка . Про­ве­рим вы­пол­не­ние пред­по­ло­же­ния: из пра­ви­ла мо­мен­тов сле­ду­ет, что

T_3= дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби M g плюс дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби m g минус дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби T_2= дробь: чис­ли­тель: 7, зна­ме­на­тель: 12 конец дроби M g плюс дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби m g,

и по­это­му при любых мас­сах стерж­нях и груза тре­тья нить на­тя­ну­та  левая круг­лая скоб­ка T_3 боль­ше 0 пра­вая круг­лая скоб­ка . Сила на­тя­же­ния пер­вой нити T_1= левая круг­лая скоб­ка M плюс m пра­вая круг­лая скоб­ка g минус T_2 минус T_3, то есть T_1= дробь: чис­ли­тель: M минус 8 m, зна­ме­на­тель: 12 конец дроби g . Зна­чит, пер­вая нить на­тя­ну­та при m мень­ше дробь: чис­ли­тель: M, зна­ме­на­тель: 8 конец дроби , и это усло­вие вы­пол­ня­ет­ся в слу­чае под­ве­ши­ва­ния од­но­го груза. После под­ве­ши­ва­ния вто­ро­го груза в этих фор­му­лах нужно за­ме­нить m arrow 2 m, но при этом ока­зы­ва­ет­ся, что по­лу­чен­ны­ми фор­му­ла­ми поль­зо­вать­ся нель­зя, так как 2 m боль­ше дробь: чис­ли­тель: M, зна­ме­на­тель: 8 конец дроби ! Таким об­ра­зом, после под­ве­ши­ва­ния вто­ро­го груза пер­вая нить про­ви­са­ет  левая круг­лая скоб­ка T_1=0 пра­вая круг­лая скоб­ка , и те­перь

 левая фи­гур­ная скоб­ка \beginarrayc T_2 плюс T_3= левая круг­лая скоб­ка M плюс 2 m пра­вая круг­лая скоб­ка g T_2 плюс 2 T_3= дробь: чис­ли­тель: 3, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби M g плюс 6 m g \endarray пра­вая фи­гур­ная скоб­ка \Rightarrow T_2= дробь: чис­ли­тель: M минус 4 m, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби g \approx 2,8 Н.

Как видно, в ре­зуль­та­те под­ве­ши­ва­ния вто­ро­го груза сила на­тя­же­ния «сред­ней» нити умень­шит­ся на

\Delta T_2= дробь: чис­ли­тель: M плюс m, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби g минус дробь: чис­ли­тель: M минус 4 m, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби g= дробь: чис­ли­тель: 14 m минус M, зна­ме­на­тель: 6 конец дроби g \approx 0,9 Н.

 

Ответ: сила на­тя­же­ния «сред­ней» нити умень­шит­ся на \Delta T_2= дробь: чис­ли­тель: 14 m минус M, зна­ме­на­тель: 6 конец дроби g \approx 0,9 Н.

Классификатор: Ме­ха­ни­ка. Ста­ти­ка. Рав­но­ве­сие вращ. и невращ. тел