Вопрос задан 02.02.2025 в 10:04. Предмет Физика. Спрашивает Трофимов Илья.

Горизонтально расположенный деревянный стержень массой 0,8 кг и длиной 1,8 м
может вращаться вокруг перпендикулярной к нему вертикальной оси, проходящей через
его середину. В конец стержня попадает пластмассовый шарик массой 3 г, летящий
перпендикулярно к оси и к стержню со скоростью 50 м/с. Определить угловую скорость
стержня после удара, если считать, что шарик упруго отскакивает обратно от стержня
почти с той же скоростью 50 м/с

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Бойко Диана.

Чтобы решить задачу, воспользуемся законами сохранения момента импульса, так как в данной системе нет внешних сил, действующих на ось вращения. Нам нужно определить угловую скорость стержня после того, как пластмассовый шарик, упруго отскочив, ударился о стержень.

Дано:

  • Масса стержня mстержня=0,8 кгm_{\text{стержня}} = 0{,}8 \ \text{кг}
  • Длина стержня L=1,8 мL = 1{,}8 \ \text{м}
  • Масса шарика mшарика=0,003 кгm_{\text{шарика}} = 0{,}003 \ \text{кг}
  • Скорость шарика до удара vшарика=50 м/сv_{\text{шарика}} = 50 \ \text{м/с}
  • Скорость шарика после удара (упругий удар) приблизительно равна vшарика=50 м/сv_{\text{шарика}} = -50 \ \text{м/с} (противоположного направления).

Решение:

  1. Момент инерции стержня относительно вертикальной оси
    Поскольку ось вращения проходит через середину стержня и перпендикулярна ему, момент инерции для стержня можно найти по формуле для стержня с осью вращения в центре:

    Iстержня=112mстержняL2I_{\text{стержня}} = \frac{1}{12} m_{\text{стержня}} L^2

    Подставим значения:

    Iстержня=1120,8(1,8)2=0,83,2412=2,59212=0,216 кгм2I_{\text{стержня}} = \frac{1}{12} \cdot 0{,}8 \cdot (1{,}8)^2 = \frac{0{,}8 \cdot 3{,}24}{12} = \frac{2{,}592}{12} = 0{,}216 \ \text{кг} \cdot \text{м}^2
  2. Момент инерции системы до удара
    До удара стержень неподвижен, а шарик летит перпендикулярно к оси вращения и к стержню, создавая момент импульса относительно оси вращения. Момент импульса для шарика рассчитывается как:

    Lшарика=mшарикаvшарикаL2L_{\text{шарика}} = m_{\text{шарика}} \cdot v_{\text{шарика}} \cdot \frac{L}{2}

    Подставим значения:

    Lшарика=0,003501,82=0,003500,9=0,135 кгм2/сL_{\text{шарика}} = 0{,}003 \cdot 50 \cdot \frac{1{,}8}{2} = 0{,}003 \cdot 50 \cdot 0{,}9 = 0{,}135 \ \text{кг} \cdot \text{м}^2/\text{с}
  3. Изменение момента импульса при упругом ударе
    При упругом ударе шарик отскакивает с той же скоростью, но в противоположном направлении. Это означает, что его конечный момент импульса после удара будет:

    Lшарика, после удара=mшарика(vшарика)L2=0,135 кгм2/сL_{\text{шарика, после удара}} = m_{\text{шарика}} \cdot (-v_{\text{шарика}}) \cdot \frac{L}{2} = -0{,}135 \ \text{кг} \cdot \text{м}^2/\text{с}

    Разница в моменте импульса шарика до и после удара составляет 20,135=0,27 кгм2/с2 \cdot 0{,}135 = 0{,}27 \ \text{кг} \cdot \text{м}^2/\text{с}.

  4. Применение закона сохранения момента импульса
    Поскольку начальный момент импульса стержня равен нулю, весь момент импульса, возникший в результате удара, пойдет на вращение стержня. Таким образом, момент импульса стержня после удара равен 0,27 кгм2/с0{,}27 \ \text{кг} \cdot \text{м}^2/\text{с}.

  5. Вычисление угловой скорости стержня
    Момент импульса стержня после удара можно также записать как произведение его момента инерции на угловую скорость:

    Iстержняω=0,27I_{\text{стержня}} \cdot \omega = 0{,}27

    Отсюда угловая скорость:

    ω=0,27Iстержня=0,270,2161,25 рад/с\omega = \frac{0{,}27}{I_{\text{стержня}}} = \frac{0{,}27}{0{,}216} \approx 1{,}25 \ \text{рад/с}

Ответ:

Угловая скорость стержня после удара составит примерно ω1,25 рад/с\omega \approx 1{,}25 \ \text{рад/с}.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос