НОФ 2018, III кръг (национален), 10–12 клас — Задача 1. Механика
Национална олимпиада по физика 2018, национален кръг, теоретичен кръг, тема 10.–12. клас (четвърта състезателна група) · 3 април 2018 г. · 15 т.
Условие
Част 1
Тяло с маса и с пренебрежими размери е изстреляно под ъгъл спрямо хоризонта със скорост . Земното ускорение е . Намерете:

а) максималната височина , която достига тялото, и скоростта на тялото в момента на достигане на максимална височина. [1 т.]
В момента, когато тялото достига максимална височина, то се пръсва на две парчета с маси и , които се разлитат в хоризонтални направления. Тялото с маса пада в точката на изстрелване . Намерете:
б) скоростите на двете тела и непосредствено след взрива. [1 т.]
в) максималното разстояние , до което достига парчето с маса . [3 т.]
Част 2
Тяло с маса и с пренебрежими размери е поставено на равна хоризонтална повърхност, която продължава в улей с форма на част от окръжност с радиус . Улеят преминава в плоска повърхност, наклонена под ъгъл спрямо хоризонта. Наклонената повърхност е с коефициент на триене (), а улеят и хоризонталната повърхност са идеално гладки. Земното ускорение е . На тялото е придадена скорост . Намерете:

а) скоростта като функция на ъгъла, , в случай, че тялото не губи контакт с улея; е ъгълът, който сключва радиус-векторът на тялото с вертикалата. [2 т.]
б) натиска на тялото върху улея като функция на ъгъла , в случай, че тялото не губи контакт с улея; [2 т.]
в) минималната скорост , при която тялото ще мине през точка 3; [1 т.]
г) разстоянието , което тялото ще измине по наклонената равнина; [3 т.]
д) работите и , които се извършват съответно от силата на тежестта и силата на реакция на опората, при движението на тялото от точка 1 до точка 4. [2 т.]
Решение
Част 1:
а) Използваме закона за запазване на енергията:
[0.25 т]
Минималната скорост се постига, когато тялото е на максимална височина. Тогава то се движи хоризонтално със скорост, равна на хоризонталната компонента на . Имаме
[0.25 т]
Решаваме системата от две уравнения и получаваме
[0.5 т]
Отговорът може да се получи и кинематично, за което се присъжда същият брой точки.
б) Тъй като тялото с маса пада в точката на изстрелване, скоростта му непосредствено след взрива е
[0.25 т]
в посока обратна на оста . От закона за запазване на импулса
[0.25 т]
намираме
[0.5 т]
в) За разстоянието имаме , където и са изминатите разстояния преди и след взрива. Имаме [0.5 т], където [0.5 т] е времето за издигане. Също така [0.5 т], където [0.5 т], тъй като движението по оста е независимо от движението по оста (времето за изкачване е равно на времето за спускане). Така намираме ():
[1 т]
Част 2:
а) Използваме закона за запазване на енергията . [1 т] Така намираме
[1 т]
б) Имаме [1 т]. Така намираме
[1 т]
в) За да мине тялото през точка 3, трябва [0.5 т]. Следователно
[0.5 т]
г) Височината на точка 4 над хоризонталната равнина е [0.5 т]. За да намерим скоростта в точка 4, използваме закона за запазване на енергията:
[0.5 т], откъдето . [0.5 т]
Силата , която действа на тялото, успоредно на повърхността на наклонената равнина, е сума от гравитационната сила и силата на триене. Имаме [0.5 т], където е ускорението. Следователно . Тъй като , движението е равнозакъснително ().
От кинематичните закони намираме [0.5 т]. Окончателният израз е
[0.5 т]
д) Тъй като силата на реакция е ортогонална на скоростта, тя не извършва работа, т.е. за имаме
[1 т]
Така за имаме, че е разлика между крайната и началната кинетични енергии:
[1 т]
[Бележка от източника: В крайния израз за L45 числителят е отпечатан с v0², докато предходният извод използва v1². Печатният израз е запазен.]
Оригинал в Архива: NOF3_2018_10-12problems.pdf · официални решения: NOF3_2018_10-12solutions.pdf