НПСФ 2024, 12. клас — Задача 2. Движение на махало
Национално пролетно състезание по физика 2024, Тема 12. клас (Шеста възрастова група) · 8 март 2024 г. · 10 т.
Условие
Две еднакви топчета, всяко с маса , са окачени на нишки с дължина . В началния момент математичното махало 1 е отклонено до хоризонтално положение и е пуснато без начална скорост, а математичното махало 2 е в равновесното си положение (фиг. 1). Между топчетата 1 и 2 се осъществява идеалноеластичен удар, при което топчето 2 се задвижва като математично махало с дължина (в т. A е заложено ограничение за нишката му, разположено непосредствено до нея). Определете:

а) по големина и посока ускорението на топчето 1 в началния момент и ускорението му непосредствено преди удара [2,5 т.]
б) по големина и посока ускорението на топчето 2 непосредствено след удара и ускорението , което то достига при издигането си. [2,5 т.]
в) максималната височина на издигане на топчето 2 над началното му положение [5 т.]
Отговори
а)
б)
в)
, където (докато опънът стане нула) и (свободно движение под ъгъл с ). Числено .
Решение
а) В началния момент на топчето 1 действа само силата на тежестта , която определя ускорението , насочено надолу. (0,5 т.) При движението му се запазва пълната механична енергия, тъй като силата на опън е перпендикулярна на скоростта и не извършва работа. (0,25 т.) Ако изберем нулата на потенциалната енергия в равновесното положение, (0,25 т.) имаме
т.е. скоростта непосредствено преди удара е . (0,25 т.) Тъй като ускорението е само центростремително, намираме
като то е насочено нагоре. (0,25 т.)
б) След удара топчето 1 остава на място, а топчето 2 се задвижва със скорост , тъй като масите им са равни и ударът е абсолютно еластичен. (0,5 т.) Непосредствено след удара ускорението му е само центростремително:
което е насочено нагоре. (0,25 т.) При движение на топчето 2 по дъга от окръжност с радиус скоростта му намалява по големина, което означава намаляване на центростремителното ускорение и следователно намалява силата на опън на нишката. (0,5 т.) Когато тя стане нула, ускорението се определя само от силата на тежестта, т.е. имаме , (0,5 т.) насочено надолу. (0,25 т.)
в) Ще приемем, че на височина над равновесното положение, когато скоростта е . (0,5 т.) От ЗЗЕ имаме
а от уравнението на движение –
където е ъгълът между радиуса, в това положение на топчето 2, и вертикалата. Като отчетем, че
от горните две уравнения намираме
Тогава величината
а от тази точка нататък имаме движение на топчето 2 като на тяло, хвърлено под ъгъл спрямо хоризонталата с начална скорост . (0,25 т.) Максималната височина при това движение е
Така достигнатата максимална височина на топчето 2 над равновесното положение е
Оригинал в Архива: 12_12-klas-zadachy.pdf · официални решения: 12_12-klas-reshenyja.pdf