Какая должна быть минимальная угловая скорость вращения сосуда, чтобы маленький шарик, лежащий на дне сосуда

  • 66
Какая должна быть минимальная угловая скорость вращения сосуда, чтобы маленький шарик, лежащий на дне сосуда, был выброшен из него? Сосуд имеет форму расширяющегося усеченного конуса с радиусом дна R = 0,1 м и углом наклона стенок a = 60°. Ось вращения сосуда - вертикальная ось OO¹. (Не учитывать трение шарика о стенки сосуда. Принять ускорение свободного падения равным 10 м/с²)
Hrustal
33
Чтобы решить эту задачу, нам необходимо определить минимальную угловую скорость вращения сосуда, при которой маленький шарик будет выброшен из него.

Начнем с определения сил, действующих на шарик внутри сосуда. В данной задаче мы не учитываем трение шарика о стенки сосуда, поэтому на шарик будут действовать только две силы: сила тяжести \(F_g\) и сила реакции \(F_r\), которую шарик ощущает от поверхности сосуда.

Первым шагом, найдем эти силы. Сила тяжести \(F_g\) представляет собой произведение массы шарика \(m\) на ускорение свободного падения \(g\):

\[F_g = mg\]

Заметим, что шарик находится в покое на дне сосуда, поэтому сила реакции \(F_r\) должна быть равна по величине и противоположно направлена силе тяжести:

\[F_r = -F_g\]

Теперь мы можем перейти к анализу движения шарика внутри сосуда. Чтобы шарик был выброшен из сосуда, внутренняя сила реакции должна превысить силу тяжести.

Угловая скорость вращения сосуда связана с ускорением, создаваемым этой вращающейся системой. Зная, что сила реакции \(F_r\) можно интерпретировать как центростремительную силу, мы можем использовать второй закон Ньютона для вращательного движения:

\[F_r = mR\omega^2\]

где \(R\) - расстояние от оси вращения до шарика, а \(\omega\) - угловая скорость вращения сосуда.

Таким образом, чтобы шарик был выброшен из сосуда, сила реакции должна превышать силу тяжести, то есть:

\[mR\omega^2 > mg\]

Подставим значения, которые даны в условии задачи: \(R = 0,1\) м, \(g = 10\) м/с², и решим для \(\omega\):

\[m \cdot 0,1 \cdot \omega^2 > m \cdot 10\]

Увидим, что масса шарика \(m\) сократится при решении, и получим:

\[0,1 \cdot \omega^2 > 10\]

Для нахождения минимальной угловой скорости вращения, возьмем равенство:

\[0,1 \cdot \omega^2 = 10\]

Решая это уравнение, получим:

\[\omega^2 = \frac{{10}}{{0,1}} = 100\]

\[\omega = \sqrt{100} = 10 \frac{{\text{рад}}}{{\text{с}}} \]

Таким образом, минимальная угловая скорость вращения сосуда должна составлять \(10\) рад/с, чтобы маленький шарик был выброшен из него.

Убедитесь, что все использованные в задаче величины имеют одинаковую размерность (масса в килограммах, расстояние в метрах и т.д.), чтобы получить корректный ответ.