НПСФ 2023, 11. клас — Задача 1. Тяло върху кълбо (задачата се състои от две независими части)
Национално пролетно състезание по физика 2023, тема за V състезателна група (11. клас) · 4 март 2023 г. · 10 т.
Условие
(задачата се състои от две независими части)
Част I

Малко тяло с маса е окачено на безмасова неразтеглива нишка с дължина . Тялото се намира върху гладко кълбо с радиус , като центърът на кълбото е вертикално под точката на окачване на нишката, както е показано на фигурата вляво. Дадено е също така, че нишката е по допирателна към повърхността на кълбото. Приемете, че земното ускорение е .
а) Намерете големините на силата на опън на нишката и силата на натиск на тялото върху кълбото. [2 т.]
б) Каква трябва да бъде ъгловата скорост на въртене на тялото около вертикалната ос през центъра на кълбото, така че силата на опън да е двойно по-голяма от силата на натиск? [3 т.]
в) Определете максималната ъглова скорост , при която тялото все още се намира върху кълбото. [1,5 т.]
Част II (3,5 т.)
Малко тяло е поставено в непосредствена близост до най-високата точка на неподвижно кълбо с радиус , след което тялото започва да се хлъзга без триене по повърхността на кълбото под действие на силата на тежестта. Определете на каква височина спрямо центъра на кълбото тялото ще се изплъзне от повърхността на кълбото. Каква е големината на скоростта на тялото в този момент, ако земното ускорение е ?
Решение
Част I

а) На тялото действат три сили: силата на тежестта вертикално надолу, силата на опън по протежение на нишката (допирателно на кълбото) и реакцията на опората (вж. фигурата вляво). Удобно е да разложим силата на тежестта в тангенциално и нормално направление на повърхността на кълбото. От условието за равновесие на тялото следва, че [1 т.], а големината на силата на натиск е равна на големината на реакцията на опората: [1 т.].
б) При въртене на тялото силата на тежестта не се променя, силата на опън нараства, а реакцията на опората намалява така, че векторната сума на трите сили е насочена към вертикалната ос на въртене и има големина (центростремителна сила). [0,5 т.] Като разложим новата сила на опън и реакция на опората в хоризонтално и вертикално направление, ще получим, че [0,5 т.], а [0,5 т.]. В условието на задачата е дадено, че , откъдето . [1,5 т.]
в) Докато тялото е върху кълбото, има ненулева сила на натиск, т.е. при въртене с ъглова скорост вече няма да има реакция на опората. В този случай е удобно да разложим силата на опън, която ще означим с , в хоризонтално и вертикално направление. Получават се следните две уравнения: и . [0,5 т.] Оттук . [1 т.]
Част II

Нека да означим масата на тялото с . Тялото се е спуснало с надолу до момента на изплъзване от повърхността на кълбото. От закона за запазване на енергията следва, че , т.е. . [0,5 т.] От друга страна, тогава силата на натиск става равна на нула и центростремителната сила е равна на радиалната компонента на силата на тежестта: (вж. фигурата по-горе). [1 т.] Оттук следва, че , , т.е. . [1 т.] Скоростта . [1 т.]
Оригинал в Архива: proletni_2023_11problems.pdf · официални решения: proletni_2023_11solutions.pdf