инамика материальной точки

Основной закон динамики (второй закон Ньютона) выражается уравнением

F dt = d (m υ).

Если масса m постоянна, то , где а – ускорение, которое приобретает тело массой m под действием силы F.

Работа силы при перемещении s может быть выражена формулой

,

где F_s – проекция силы на направление перемещения, ds – длина перемещения. Интегрирование должно быть распространено на все перемещение s. В случае постоянной силы, действующей под углом α к перемещению, имеем A = F_s cos α, где α – угол между силой F и перемещением s.

Мощность определяется формулой

.

В случае постоянной мощности

,

где А – работа, совершаемая за время t.

Мощность может быть определена также формулой

N=Fυ·cosα,

т.е. произведением скорости движения на проекцию силы на направление движения.

Для кинетической энергии тела массой m, движущегося со скоростью υ, имеем

.

Формулы для потенциальной энергии имеют разный вид в зависимости от характера действующих сил.

В изолированной системе импульс входящих в нее тел остается постоянным, т.е.

m _{1 1}+ m _{2 2}+ …+ m_{n n} =const.

При неупругом центральном ударе двух тел с массами m ₁ и m ₂ общая скорость движения этих тел после удара может быть найдена по формуле

,

где υ₁ – скорость первого тела до удара и υ₂ – скорость второго тела до удара.

При упругом центральном ударе тел, двигающихся навстречу друг другу, скорость первого тела после удара

;

скорость второго тела после удара

.

При криволинейном движении сила, действующая на материальную точку, может быть разложена на две составляющие: тангенциальную и нормальную. Нормальная составляющая

является центростремительной силой. Здесь – линейная скорость движения тела массой m, R – радиус кривизны траектории в данной точке.

Сила, вызывающая упругую деформацию x, пропорциональна деформации, т.е.

F = kx,

где k – жесткость (коэффициент, численно равный силе, вызывающей деформацию, равную единице).

Потенциальная энергия упругого тела

.

 

 

2. 1. Тело массой m = 2 кг движется прямолинейно по закону s = A–Bt + C t ² – Dt ³ (C = 2 м/с², D = 0,4 м/с³). Определить силу, действующую на тело в конце пер­вой секунды движения.

2. 2. К нити подвешен груз массой m = 500 г. Определить силу натяжения нити, если нить с грузом: 1) поднимать с ускорением 2 м/с²; 2) опускать с ускорением 2 м/с².

2. 3. Два груза (m ₁ = 500 г и m ₂ = 700 г) связаны невесомой нитью и лежат на гладкой горизонтальной поверхности. К грузу m ₁ приложена горизонтально направленная сила F = 6 H. Пренебрегая трением, определить: 1) ускорение грузов; 2) силу натяжения нити

2. 4. Тело массой m движется в плоскости ху по закону x = A cosω t, y = B sinω t, где A, В и ω — некоторые постоянные. Определить модуль силы, действующей на это тело.

2. 5. Тело массой m = 2 кг падает вертикально с ускорением а = 5 м/с². Определить силу сопротивления при движении этого тела.

2. 6. С вершины клина, длина которого 1 = 2 м и высота h = 1 м, начинает скользить небольшое тело. Коэффициент трения между телом и клином f = 0,15. Определить: 1) ускорение, с которым движется тело; 2) время прохождения тела вдоль клина; 3) скорость тела у основания клина.

2. 7. По наклонной плоскости с углом α наклона к горизонту, равным 30°, скользит тело. Определить скорость тела в конце второй секунды от начала скольжения, если коэффициент трения f = 0,15.

2. 8. Снаряд массой m = 5 кг, вылетевший из орудия, в верхней точке траектории имеет скорость υ = 300 м/с. В этой точке он разорвался на два осколка, причем больший осколок массой m ₁ = 3 кг полетел в обратном направлении со скоростью υ₁=100 м/с. Определить скорость υ₂ второго, меньшего, осколка.

2. 9. Граната, летящая со скоростью υ = 10 м/с, разорвалась на два осколка. Больший осколок, масса которого составляла 0,6 массы всей гранаты, продолжал двигаться в прежнем направлении, но с увеличенной скоростью u ₁ = 25 м/с. Найти скорость u ₂ меньшего осколка.

2. 10. Лодка массой М = 150 кг и длиной 1 = 2,8 м стоит неподвижно в стоячей воде. Рыбак массой m = 90 кг в лодке переходит с носа на корму. Пренебрегая сопротивлением воды, определить, на какое расстояние s при этом сдвинется лодка.

2. 11. Снаряд, вылетевший из орудия со скоростью υ_o, разрывается на два одинаковых осколка в верхней точке траектории на расстоянии ℓ (по горизонтали). Один из осколков полетел в обратном направлении со скоростью движения снаряда до разрыва. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить, на каком расстоянии (по горизонтали) от орудия упадет второй осколок.

2. 12. Платформа с песком общей массой М = 2 т стоит на рельсах на горизонтальном участке пути. В песок попадает снаряд массой m = 8 кг и застревает в нем. Пренебрегая трением, определить, с какой скоростью будет двигаться платформа, если в момент попадания скорость снаряда υ = 450 м/с, а ее направление — сверху вниз под углом α = 30° к горизонту.

2. 13. Из орудия массой m ₁ = 5 т вылетает снаряд массой m ₂ = 100 кг. Кинетическая энергия снаряда при вылете W _к2 = 7,5 МДж. Какую кинетическую энергию W _к1 получает орудие вследствие отдачи?

2. 14. На железнодорожной платформе, движущейся по инерции со скоростью υ_o = 3 км/ч, укреплено орудие. Масса платформы с орудием М = 10 т. Ствол орудия направлен в сторону движения платформы. Снаряд массой m = 10 кг вылетает из ствола под углом α = 60° к горизонту. Определить скорость и снаряда (относительно Земли), если после выстрела скорость платформы уменьшилась в n = 2 раза.

2. 15. Пуля, летящая горизонтально, попадает в шар, подвешенный на невесомом жестком стержне, и застревает в нем. Масса пули m ₁ = 5 г, масса шара m ₂ = 0,5 кг. Скорость пули υ₁ = 500 м/с. При каком предельном расстоянии l от центра шара до точки подвеса стержня шар от удара пули поднимется до верхней точки окружности?

2. 16. На катере массой m = 4,5 т находится водомет, выбрасывающий со скоростью u = 6 м/с относительно катера назад μ = 25 кг/с воды. Пренебрегая сопротивлением движению катера, определить: 1) скорость катера через t = 3 мин после начала движения; 2) предельно возможную скорость катера.

2. 17. Ракета, масса которой в начальный момент времени М = 2 кг, запущена вертикально вверх. Относительная скорость выхода продуктов сгорания u = 150 м/с, расход горючего μ = 0,2 кг/с. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить ускорение a ракеты через t = 3 c после начала ее движения. Поле силы тяжести считать однородным.

2. 18. Ракета, масса которой в начальный момент M = 300 г, начинает выбрасывать продукты сгорания с относительной скоростью u = 200 м/с. Расход горючего μ = 100 г/с. Пренебрегая сопротивлением воздуха и внешним силовым полем, определить: 1) за какой промежуток времени скорость ракеты станет равной υ₁ = 50 м/с; 2) скорость υ₂, которую достигнет ракета, если масса заряда m _o= 0,2 кг.

2. 19. Стальной шарик массой m = 20 г, падая с высоты h ₁ = 1 м на стальную плиту, отскакивает от нее на высоту h ₂ = 81 см. Найти импульс силы F Δ t, полученный плитой за время удара, и количество теплоты Q, выделившейся при ударе.

2. 20. Камень, привязанный к веревке длиной l = 50 см, равномерно вращается в вертикальной плоскости. При какой частоте вращения ν веревка разорвется, если известно, что она разрывается при силе натяжения, равной десятикратной силе тяжести, действующей на камень?

2. 21. Диск вращается вокруг вертикальной оси с частотой n = 30 об/мин. На расстоянии r = 20 см от оси вращения на диске лежит тело. Каким должен быть коэффициент трения k между телом и диском, чтобы тело не скатилось с диска?

2. 22. Груз массой m = 150 кг подвешен на стальной проволоке, выдерживающей силу натяжения T = 2,94 кН. На какой наибольший угол α можно отклонить проволоку с грузом, чтобы она не разорвалась при прохождении грузом положения равновесия?

2. 23. Найти первую космическую скорость υ₁, т.е. скорость, которую надо сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно начало двигаться вокруг Земли по круговой орбите в качестве спутника.

2. 24. Тело массой m = 5 кг поднимают с ускорением а = 2 м/с². Определить работу силы в течение первых пяти секунд.

2. 25. Автомашина массой m = 1,8 т движется в гору, уклон которой составляет 3 м на каждые 100 м пути. Определить: 1) работу, совершаемую двигателем автомашины на пути 5 км, если коэффициент трения равен 0,1; 2) развиваемую двигателем мощность, если известно, что этот путь был преодолен за 5 мин.

2. 26. Определить работу, совершаемую при подъеме груза массой m = 50 кг по наклонной плоскости с углом наклона α = 30° к горизонту на расстояние s = 4 м, если время подъема t = 2 с, а коэффициент трения f = 0,06.

2. 27. Тело скользит с наклонной плоскости высотой h и углом наклона α к горизонту и движется далее по горизонтальному участку. Принимая коэффициент трения на всем пути постоянным и равным f, определить расстояние s, пройденное телом на горизонтальном участке, до полной остановки.

2. 28. Поезд массой m = 600 т движется под гору с уклоном α = 0,3° и за время t = 1 мин развивает скорость υ = 18 км/ч. Коэффициент трения f = 0,01. Определить среднюю мощность < N > локомотива.

2. 29. Автомобиль массой m = 1,8 т спускается при выключенном двигателе с постоянной скоростью υ = 54 км/ч по уклону дороги (угол к горизонту α = 3°). Определить, какова должна быть мощность двигателя автомобиля, чтобы он смог подниматься на такой же подъем с той же скоростью.

2. 30. Материальная точка массой m = 1 кг двигалась под действием некоторой силы согласно уравнению s = A – B + C t ² – Dt ³ (В = 3 м/с, С = 5 м/с², D = l м/с³). Определить мощность N, затрачиваемую на движение точки в момент времени t = 1 с.

2. 31. Тело массой m поднимается без начальной скорости с поверхности Земли под действием силы F, меняющейся с высотой подъема у по закону F = –2 mg (l– Ay) (где А — некоторая положительная постоянная), и силы тяжести mg. Определить: 1) весь путь подъема; 2) работу силы F на первой трети пути подъема. Поле силы тяжести считать однородным.

2. 32. Тело массой m начинает двигаться под действием силы F = 2 ti + 3 t ² j, где i и j — соответственно единичные векторы координатных осей х и у. Определить мощность N (t), развиваемую силой в момент времени 1.

2. 33. Тело массой m = 5 кг падает с высоты h = 20 м. Определить сумму потенциальной и кинетической энергий тела в точке, находящейся от поверхности Земли на высоте h ₁ = 5 м. Трением тела о воздух пренебречь. Сравнить эту энергию с первоначальной энергией тела.

2. 34. Тело, падая с некоторой высоты, в момент соприкосновения с Землей обладает импульсом р=100 кг-м/с и кинетической энергией Т=500Дж. Определить: с какой высоты тело падало; 2) массу тела.

2. 35. С башни высотой H =20 м горизонтально со скоростью υ_o = 10 м/с брошен камень массой m = 400 г. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить для момента времени t = 1 с после начала движения: 1) кинетическую энергию; 2) потенциальную энергию.

2. 36. Автомашина массой m = 2000 кг останавливается за t = 6 c, пройдя расстояние S = 30м. Определить: 1) начальную скорость автомашины; 2) силу торможения.

2. 37. Материальная точка массой m = 20 г движется по окружности радиусом R = 10 см с постоянным тангенциальным ускорением. К концу пятого оборота после начала движения кинетическая энергия материальной точки оказалась равной 6,3 мДж. Определить тангенциальное ускорение.

2. 38. Ядро массой m =5 кг бросают под углом α=60° к горизонту, затрачивая при этом работу 500 Дж. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить: 1) через какое время ядро упадет на землю; 2) какое расстояние по горизонтали оно пролетит.

2. 39. Тело массой m = 0,5 кг бросают со скоростью υ_o = 10 м/с под углом α=30° к горизонту. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить кинетическую Т, потенциальную П и полную Е энергии тела: 1) через t = 0,4 с после начала движения; 2) в высшей точке траектории.

2. 40. К нижнему концу пружины жесткостью k ₁ присоединена другая пружина жесткостью k ₂, к концу которой прикреплена гиря. Пренебрегая массой пружин, определить отношение потенциальных энергий пружин.

2. 41. Тело массой m = 0,4 кг скользит с наклонной плоскости высотой h = 10 см и длиной 1 = 1 м. Коэффициент трения тела на всем пути f =0,04. Определить: 1) кинетическую энергию тела у основания плоскости; 2) путь, пройденный телом на горизонтальном участке до остановки.

2. 42. Тело брошено вертикально вверх со скоростью υ_o= 20 м/с. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить, на какой высоте h кинетическая энергия тела будет равна его потенциальной энергии.

2. 43. Тело массой m = 70 кг движется под действием постоянной силы F = 63 H. Определить, на каком пути s скорость этого тела возрастет в n =3 раза по сравнению с моментом времени, когда скорость тела была равна υ_o=1,5м/с.

2. 44. Подвешенный на нити шарик массой m = 200 г отклоняют на угол α = 45°. Определить силу натяжения нити в момент прохождения шариком положения равновесия.

2. 45. Тело брошено под углом α = 45° к горизонту со скоростью υ_o = 15 м/с. Используя закон сохранения энергии, определить скорость υ тела в высшей точке его траектории.

2. 46. Пренебрегая трением, определить наименьшую высоту h, с которой должна скатываться тележка с человеком по желобу, переходящему в петлю радиуса R = 6 м, и не оторваться от него в верхней точке петли.

2. 47. Спортсмен с высоты h =12м падает на упругую сетку. Пренебрегая массой сетки, определить, во сколько раз наибольшая сила давления спортсмена на сетку больше его силы тяжести, если прогиб сетки под действием силы тяжести спортсмена х_о = 15 см.

2. 48. С вершины идеально гладкой сферы радиусом R = 1,2 м соскальзывает небольшое тело. Определить высоту h (от вершины сферы), с которой тело со сферы сорвется.

2. 49. Пуля массой m = 15 г, летящая горизонтально со скоростью υ = 200 м/с, попадает в баллистический маятник длиной l =1 м и массой М = 1,5 кг и застревает в нем. Определить угол отклонения φ маятника.

2. 50. Пуля массой m = 12 г, летящая с горизонтальной скоростью υ = 0,6 км/с, попадает в мешок с песком массой М = 10 кг, висящий на длинной нити, и застревает в нем. Определить: 1) высоту, на которую поднимется мешок, отклонившись после удара; 2) долю кинетической энергии, израсходованной на пробивание песка.

2. 51. Зависимость потенциальной энергии П тела в центральном силовом поле от расстояния r до центра поля задается функцией (А = 6 мкДж·м², В=0,З мДж·м). Определить, при каких значениях r максимальное значение принимают: 1) потенциальная энергия тела; 2) сила, действующая на тело.

2. 52. При центральном упругом ударе движущееся тело массой m ₁ ударяется в покоящееся тело массой m ₂, в результате чего скорость первого тела уменьшается в 2 раза. Определить: 1) во сколько раз масса первого тела больше массы второго тела; 2) кинетическую энергию Т’₂ второго тела непосредственно после удара, если первоначальная кинетическая энергия t ₁ первого тела равна 800 Дж.

2. 53. Определить, во сколько раз уменьшится скорость шара, движущегося со скоростью υ₁, при его соударении с покоящимся шаром, масса которого в n раз больше массы налетающего шара. Удар считать центральным абсолютно упругим.

2. 54. Тело массой m ₁ = 3 кг движется со скоростью υ₁ = 2 м/с и ударяется о неподвижное тело такой же массы. Считая удар центральным и неупругим, определить количество теплоты, выделившееся при ударе.

2. 55. Два шара массами m ₁ = 9 кг и m ₂ = 12 кг подвешены на нитях длиной l = 1,5 м. Первоначально шары соприкасаются между собой, затем меньший шар отклонили на угол α=30° и отпустили. Считая удар неупругим, определить высоту h, на которую поднимутся оба шара после удара.

2. 56. Два шара массами m ₁ = 3 кг и m ₂ = 2 кг подвешены на нитях длиной 1 = 1 м. Первоначально шары соприкасаются между собой, затем больший шар отклонили от положения равновесия на угол α =60° и отпустили. Считая удар упругим, определить скорость второго шара после удара.

2. 57. Два шара массами m ₁= 200 г и m ₂ =400 г подвешены на нитях длиной l = 67,5 см. Первоначально шары соприкасаются между собой, затем первый шар отклонили от положения равновесия на угол α = 60° и отпустили. Считая удар упругим, определить на какую высоту h поднимется второй шар после удара.

2. 58. Шар сталкивается с другим покоящимся шаром такой же массы. Доказать, что в случае упругого, но не центрального удара угол между направлениями скоростей после удара составляет π/2.