Задачка по физике Однородный стержень массой 12 кг и длиной L вращается в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через его середину, с частотой 1 об/с. На одном конце стержня укреплена шайба массой 2 кг. С какой частотой будет вращаться стержень, если шайбу передвинуть на расстояние L/4 в направлении оси вращения, действуя силой, направленной вдоль оси стержня?
Чтобы решить задачу, нам нужно воспользоваться законом сохранения момента импульса, так как система замкнута и на нее не действуют внешние моменты сил.
Сначала определим момент инерции стержня IстержняI_стержняIстержня и шайбы IшайбыI_шайбыIшайбы относительно оси вращения, проходящей через середину стержня.
Момент инерции стержня:
Момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через его середину, равен: I<em>стержня=112m</em>стержняL2=112⋅12⋅L2=L2.
I<em>{стержня} = \frac{1}{12} m</em>{стержня} L^2 = \frac{1}{12} \cdot 12 \cdot L^2 = L^2. I<em>стержня=121m</em>стержняL2=121⋅12⋅L2=L2.
Момент инерции шайбы:
Шайба массой 2 кг, прикрепленная к одному концу стержня на расстоянии L2 \frac{L}{2} 2L от оси вращения, имеет момент инерции: I<em>шайбы,начальное=m</em>шайбы(L2)2=2⋅(L2)2=2⋅L24=L22.
I<em>{шайбы, начальное} = m</em>{шайбы} \left( \frac{L}{2} \right)^2 = 2 \cdot \left( \frac{L}{2} \right)^2 = 2 \cdot \frac{L^2}{4} = \frac{L^2}{2}. I<em>шайбы,начальное=m</em>шайбы(2L)2=2⋅(2L)2=2⋅4L2=2L2.
Таким образом, общий момент инерции системы при начальном положении будет: I<em>начальное=I</em>стержня+Iшайбы,начальное=L2+L22=3L22.
I<em>{начальное} = I</em>{стержня} + I_{шайбы, начальное} = L^2 + \frac{L^2}{2} = \frac{3L^2}{2}. I<em>начальное=I</em>стержня+Iшайбы,начальное=L2+2L2=23L2.
Таким образом, начальный момент импульса L<em>начальное L<em>{начальное} L<em>начальное системы: L</em>начальное=I<em>начальное⋅ω</em>начальное=3L22⋅2π=3πL2.
L</em>{начальное} = I<em>{начальное} \cdot \omega</em>{начальное} = \frac{3L^2}{2} \cdot 2\pi = 3\pi L^2. L</em>начальное=I<em>начальное⋅ω</em>начальное=23L2⋅2π=3πL2.
Шайба смещается на L4 \frac{L}{4} 4L к оси вращения:
Теперь шайба находится на расстоянии rшайбы,новое=L2−L4=L4.
r_{шайбы, новое} = \frac{L}{2} - \frac{L}{4} = \frac{L}{4}. rшайбы,новое=2L−4L=4L.
Соответственно, новый момент инерции шайбы: I<em>шайбы,новое=m</em>шайбы(L4)2=2⋅(L4)2=2⋅L216=L28.
I<em>{шайбы, новое} = m</em>{шайбы} \left( \frac{L}{4} \right)^2 = 2 \cdot \left( \frac{L}{4} \right)^2 = 2 \cdot \frac{L^2}{16} = \frac{L^2}{8}. I<em>шайбы,новое=m</em>шайбы(4L)2=2⋅(4L)2=2⋅16L2=8L2.
Новый общий момент инерции системы: I<em>новое=I</em>стержня+Iшайбы,новое=L2+L28=8L28+L28=9L28.
I<em>{новое} = I</em>{стержня} + I_{шайбы, новое} = L^2 + \frac{L^2}{8} = \frac{8L^2}{8} + \frac{L^2}{8} = \frac{9L^2}{8}. I<em>новое=I</em>стержня+Iшайбы,новое=L2+8L2=88L2+8L2=89L2.
Сохраняя момент импульса:
Мы теперь можем записать уравнение для сохранения момента импульса: L<em>начальное=L</em>новое,
L<em>{начальное} = L</em>{новое}, L<em>начальное=L</em>новое,
то есть 3πL2=9L28⋅ωновое.
3\pi L^2 = \frac{9L^2}{8} \cdot \omega_{новое}. 3πL2=89L2⋅ωновое.
Чтобы решить задачу, нам нужно воспользоваться законом сохранения момента импульса, так как система замкнута и на нее не действуют внешние моменты сил.
Сначала определим момент инерции стержня IстержняI_стержняIс тержня и шайбы IшайбыI_шайбыIш айбы относительно оси вращения, проходящей через середину стержня.
Момент инерции стержня: Момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через его середину, равен:
I<em>стержня=112m</em>стержняL2=112⋅12⋅L2=L2. I<em>{стержня} = \frac{1}{12} m</em>{стержня} L^2 = \frac{1}{12} \cdot 12 \cdot L^2 = L^2.
I<em>стержня=121 m</em>стержняL2=121 ⋅12⋅L2=L2.
Момент инерции шайбы: Шайба массой 2 кг, прикрепленная к одному концу стержня на расстоянии L2 \frac{L}{2} 2L от оси вращения, имеет момент инерции:
I<em>шайбы,начальное=m</em>шайбы(L2)2=2⋅(L2)2=2⋅L24=L22. I<em>{шайбы, начальное} = m</em>{шайбы} \left( \frac{L}{2} \right)^2 = 2 \cdot \left( \frac{L}{2} \right)^2 = 2 \cdot \frac{L^2}{4} = \frac{L^2}{2}.
I<em>шайбы,начальное=m</em>шайбы(2L )2=2⋅(2L )2=2⋅4L2 =2L2 .
Таким образом, общий момент инерции системы при начальном положении будет:
I<em>начальное=I</em>стержня+Iшайбы,начальное=L2+L22=3L22. I<em>{начальное} = I</em>{стержня} + I_{шайбы, начальное} = L^2 + \frac{L^2}{2} = \frac{3L^2}{2}.
I<em>начальное=I</em>стержня+Iшайбы,начальное =L2+2L2 =23L2 .
Начальная угловая скорость: Частота 1 об/с соответствует угловой скорости:
ωначальное=2π⋅1 об/с=2π рад/с. \omega_{начальное} = 2\pi \cdot 1 \, \text{об/с} = 2\pi \, \text{рад/с}.
ωначальное =2π⋅1об/с=2πрад/с.
Таким образом, начальный момент импульса L<em>начальное L<em>{начальное} L<em>начальное системы:
L</em>начальное=I<em>начальное⋅ω</em>начальное=3L22⋅2π=3πL2. L</em>{начальное} = I<em>{начальное} \cdot \omega</em>{начальное} = \frac{3L^2}{2} \cdot 2\pi = 3\pi L^2.
L</em>начальное=I<em>начальное⋅ω</em>начальное=23L2 ⋅2π=3πL2.
Шайба смещается на L4 \frac{L}{4} 4L к оси вращения: Теперь шайба находится на расстоянии
rшайбы,новое=L2−L4=L4. r_{шайбы, новое} = \frac{L}{2} - \frac{L}{4} = \frac{L}{4}.
rшайбы,новое =2L −4L =4L .
Соответственно, новый момент инерции шайбы:
I<em>шайбы,новое=m</em>шайбы(L4)2=2⋅(L4)2=2⋅L216=L28. I<em>{шайбы, новое} = m</em>{шайбы} \left( \frac{L}{4} \right)^2 = 2 \cdot \left( \frac{L}{4} \right)^2 = 2 \cdot \frac{L^2}{16} = \frac{L^2}{8}.
I<em>шайбы,новое=m</em>шайбы(4L )2=2⋅(4L )2=2⋅16L2 =8L2 .
Новый общий момент инерции системы:
I<em>новое=I</em>стержня+Iшайбы,новое=L2+L28=8L28+L28=9L28. I<em>{новое} = I</em>{стержня} + I_{шайбы, новое} = L^2 + \frac{L^2}{8} = \frac{8L^2}{8} + \frac{L^2}{8} = \frac{9L^2}{8}.
I<em>новое=I</em>стержня+Iшайбы,новое =L2+8L2 =88L2 +8L2 =89L2 .
Сохраняя момент импульса: Мы теперь можем записать уравнение для сохранения момента импульса:
L<em>начальное=L</em>новое, L<em>{начальное} = L</em>{новое},
L<em>начальное=L</em>новое, то есть
3πL2=9L28⋅ωновое. 3\pi L^2 = \frac{9L^2}{8} \cdot \omega_{новое}.
3πL2=89L2 ⋅ωновое .
Решая это уравнение относительно угловой скорости:
ωновое=3πL29L28=3π⋅89=8π3 рад/с. \omega_{новое} = \frac{3\pi L^2}{\frac{9L^2}{8}} = \frac{3\pi \cdot 8}{9} = \frac{8\pi}{3} \, \text{рад/с}.
ωновое =89L2 3πL2 =93π⋅8 =38π рад/с.
Переведем в частоту:
f<em>новое=ω</em>новое2π=8π32π=43 об/с. f<em>{новое} = \frac{\omega</em>{новое}}{2\pi} = \frac{\frac{8\pi}{3}}{2\pi} = \frac{4}{3} \, \text{об/с}.
f<em>новое=2πω</em>новое =2π38π =34 об/с.
Таким образом, новая частота вращения стержня с шайбой, смещенной на L/4 L/4 L/4 в сторону оси вращения, будет равна 43 \frac{4}{3} 34 об/с.