Задачи
Электротехника
Реактор
Лекции
ПК
Электроника
ВВЭР-1200
Геометрия
Физика
Информатика
АЭС
Задачи
Строймех
Контрольная
Энергетика
Решения

Решение задач по физике Законы Ньютона

Закон сохранения импульса момента импульса

 

Работа и мощность

A=Fs; А=М,

N=Fv  N=M

Кинетическая энергия

Т =1/2 mv2 T=1/2J

Примеры решения задач

Пример 1. Вычислить момент инерции Jz молекулы NО2 относительно оси z, проходящей через центр масс молекулы перпендикулярно плоскости, содержащей ядра атомов. Межъядерное расстояние d этой молекулы равно 0,118 нм, валентный угол =140°. [an error occurred while processing this directive]

Решение. Молекулу NO2 можно рассматривать как систему, состоящую из трех материальных точек общей массой

m=2m1+m2, (1)

где m1 — масса атома кислорода; m2— масса атома азота.

Расположим молекулу относительно координатных осей так, как это указано на рис. 3.1 (начало координат совместим с центром

масс С молекулы, ось z направим перпендикулярно плоскости чертежа «к нам».)

Для определения Jz воспользуемся теоремой Штейнера:

J=Jc+ma2. [an error occurred while processing this directive]

Для данного случая эта теорема запишется в виде Jz' = Jz+ma2, где Jz' —момент инерции относительно оси z', параллельной оси z и проходящей через атом азота (точка О на рис. 3.1). Отсюда искомый момент инерции

Jz = Jz' -ma2 (2)

Момент инерции Jz' находим как сумму моментов инерции двух материальных точек (атомов кислорода):

Jz' = 2m1 d2 (3)

Расстояние а между осями z и z' равно координате xс центра масс системы и поэтому может быть выражено по формуле (см. § 2, с. 20)  В данном случае

а=хс= (2m1x1+m2x2)/(2m1+m2), или, учитывая, что x1=d cos (/2) и х2=0,

  (4)

Подставив в формулу (2) значения Jz', т, а соответственно из выражений (3), (1), (4), получим

или после преобразований

  (5)

Найдем в табл. 23 относительные атомные массы кислорода (AO=16) и азота (АN==14) и запишем массы атомов этих элементов в атомных единицах массы (а.е.м.), а затем выразим в килограммах (1 а.е.м. =1,66 •10-27 кг, см. табл. 9):

m1= 16 1,66 10-27 кг=2,66 10-26 кг;

m2 = 14 1,66 10-27 кг = 2,32 10-26 кг.

Значения m1, т1, d и  подставим * в формулу (5) и произведем вычисления:

Jz=6,80 10-46 кг.м2.

Пример 2. Физический маятник представляет собой стержень длиной l=1 м и массой m1=l кг с прикрепленным к одному из его

*Для вычисления выражения, стоящего в скобках, вместо масс атомов можно подставить их относительные атомные массы, так как здесь массы входят в виде отношения.

концов диском массой т2=0,5 m1. Определить момент инерции Jz такого маятника относительно оси Оz, проходящей через точку О на стержне перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 3.2).

Пример 3. Вал в виде сплошного цилиндра массой m1=10 кг насажен на горизонтальную ось. На цилиндр намотан шнур, к свободному концу которого подвешена гиря массой m2=2 кг (рис. 3.3). С каким ускорением а будет опускаться гиря, если ее предоставить самой себе?

Решение. Линейное ускорение а гири равно тангенциальному ускорению точек вала, лежащих на его цилиндрической поверхности, и связано с угловым ускорением s вала соотношением

а=,  (1)

где r — радиус вала.

Угловое ускорение вала выражается основным уравнением динамики вращающегося тела:

Пример 4. Через блок в виде диска, имеющий массу m=80 г, перекинута тонкая гибкая нить, к концам которой подвешены грузы массами m1=100 г и m2=200 г (рис. 3.4). С каким ускорением будут двигаться грузы, если их предоставить самим себе? Трением пренебречь.

Решение. Применим к решению задачи основные законы поступательного и вращательного движения. На каждый из движущихся грузов действуют две силы: сила тяжести mg, направленная вниз, и сила Т натяжения нити, направленная вверх.

Так как вектор ускорения а груза m1 направлен вверх, то T1>m1g. Равнодействующая этих сил вызывает равноускоренное движение и, по второму закону Ньютона, равна T1 — т1g=т1а, откуда 

T1=m1g+m1a. (1)

Решение. 1.По второму закону динамики вращательного движения, изменение момента импульса вращающегося тела равно произведению момента силы, действующего на тело, на время действия этого момента:

Mt=J — J,

где J — момент инерции маховика;  и  — начальная и конечная угловые скорости. Так как =0 и t=t , то Mt=—J, откуда

M= —J/t.  (1)

Момент инерции диска относительно его геометрической оси равен J=1/2mr2. Подставив это выражение в формулу (1), найдем

M=—mr2/(2t).  (2)

Выразив угловую скорость  через частоту вращения n1 и произведя вычисления по формуле (2), найдем

М= —1 Н м.

Пример 6. Платформа в виде диска радиусом R= 1,5 м и массой m1=180 кг вращается по инерции около вертикальной оси с частотой n=10 мин-1. В центре платформы стоит человек массой т2=60 кг. Какую линейную скорость относительно пола помещения будет иметь человек, если он перейдет на край платформы?

Решение. По закону сохранения момента импульса,

  (1)

где J1 — момент инерции платформы; J2 — момент инерции человека, стоящего в центре платформы;  — угловая скорость платформы с человеком, стоящим в ее центре; J2' — момент инерции

человека, стоящего на краю платформы;  — угловая скорость платформы с человеком, стоящим на ее краю.

Линейная скорость человека, стоящего на краю платформы, связана с угловой скоростью соотношением

Пример 7. Человек стоит в центре скамьи Жуковского и вместе с ней вращается по инерции. Частота вращения n1=0,5 c-1. Момент инерции jo тела человека относи-

Рис. 3.5

тельно оси вращения равен 1,6 кг м2. В вытянутых в стороны руках человек держит по гире массой m=2 кг каждая. Расстояние между гирями l1=l,6 м. Определить частоту вращения n2, скамьи с человеком, когда он опустит руки и расстояние l2 между гирями станет равным 0,4 м. Моментом инерции скамьи пренебречь.

Пример 8. Стержень длиной l=1,5 м и массой М=10 кг может вращаться вокруг неподвижной оси, проходящей через верхний конец стержня (рис. 3.6). В середину стержня ударяет пуля массой m=10 г, летящая в горизонтальном направлении со скоростью vo=500 м/с, и

 Рис. 3.6 застревает в стержне. На какой угол  отклонится стержень после удара?

Решение. Удар пули следует рассматривать как неупругий: после удара и нуля, и соответствующая точка стержня будут двигаться с одинаковыми скоростями.

Рассмотрим подробнее явления, происходящие при ударе. Сначала пуля, ударившись о стержень, за ничтожно малый промежуток времени приводит его в движение с угловой скоростью  и сообщает ему кинетическую энергию

Задачи


Математика