Дано:
m = 1,3 кг
L = 4 м
L₁ = 5 м
L₂ = 3 м
g = 10 м/с²
T₁, T₂ - ?
При данных значениях длин стержень и нити будут образовывать прямоугольный треугольник, т.к. точка подвеса располагается точно на линии действия силы тяжести (см. рисунок).
Стержень находится в равновесии. Воспользуемся одним из условий равновесия - равенством моментов сил, действующих на стержень. На стержень действуют три силы: сила тяжести mg, сила натяжения длинной нити T₁ и сила натяжения короткой нити T₂. Момент силы - это произведение силы F и плеча d, где плечо d - это кратчайшее расстояние между точкой опоры и линией действия силы:
M = F*d
Для того, чтобы найти какую-либо из сил натяжения, мы будем рассматривать равенство моментов сил относительно точек А и B.
ТОЧКА А.
M + M₁ + M₂ = 0 - векторная сумма
-M + 0 + M₂ = 0 - алгебраическая сумма, где
-M = -mg*d - знак минуса стоит потому, что сила тяжести стремится повернуть стержень по часовой стрелке относительно точки А.
M₁ = T₁*d₁(A) = 0, т.к. сила T₁ не стремится повернуть стержень относительно точки, к которой она и приложена. Другими словами - плечо силы T₁ относительно точки А равно нулю (d₁(A) = 0), поэтому момент этой силы равен нулю.
M₂ = T₂*d₂ = T₂*L - знак плюса стоит потому, что сила натяжения T₂ стремится повернуть стержень против часовой стрелки относительно точки А.
Выходит, что:
M₂ = M
T₂*L = mg*d
Мы не знаем плечо d. Но его можно выразить путём геометрических соображений. Обратимся к рисунку. Плечо d равно стороне АС прямоугольного треугольника ABC. Этот треугольник подобен прямоугольному треугольнику A'B'C' по трём углам (углы B и B' являются вертикальными, а углы А и А' - взаимно перпендикулярными, углы С и С' - прямые). Если поделим АB на AC, то получим коэффициент подобия, который точно также можно получить, поделив А'B' на A'C':
AB/AC = А'B'/A'C'
АB = L/2, AC = d
A'C' = L₂, A'B' = √(A'C'² + B'C'²) - по теореме Пифагора, B'C' = AB = L/2 =>
=> A'B' = √(L₂² + (L/2)²) = √(L₂² + L²/4), тогда:
(L/2) / d = √(L₂² + L²/4) / L₂ - выражаем d:
d = (L/2) : (√(L₂² + L²/4) / L₂) = (L/2)*L₂/√(L₂² + L²/4) = L*L₂ / 2√(L₂² + L²/4)
Подставляем в уравнение моментов:
T₂*L = mg*d
T₂*L = mg*L*L₂ / 2√(L₂² + L²/4) - делим обе части на L:
T₂ = mg*L₂ / 2√(L₂² + L²/4) = 1,3*10*3 / 2√(3² + 4²/4) = 39 / 2√13 = 13*3 / 2√13 = √13*3/2 = √13*1,5 = 5,4083... = 5,4 Н
ТОЧКА B.
M + M₁ + M₂ = 0 - векторная сумма
M - M₁ + 0 = 0 - алгебраическая сумма, где
M = mg*d
-M₁ = -T₁*d₁, получается:
M = M₁
mg*d = T₁*d₁
Плечо d мы уже выразили. Остаётся выразить плечо d₁. Мы можем выразить d₁, используя два прямоугольных треугольника: АDC' и A'DC'. Выразим плечо из теоремы Пифагора, обозначив сторону A'D через x:
АDC': d₁² = L² - (L₁ - x)²
A'DC': d₁² = L₂² - x²
Приравняем, чтобы выразить х:
L² - (L₁ - x)² = L₂² - x²
L² - (L₁² - 2*L₁*x + x²) = L₂² - x²
L² - L₁² + 2*L₁*x - x² = L₂² - x²
L² - L₁² + 2*L₁*x = L₂²
2*L₁*x = L₂² - L² + L₁²
x = (L₂² - L² + L₁²) / 2L₁ = (3² - 4² + 5²) / (2*5) = (9 - 16 + 25)/10 = 18/10 = 1,8 м
Тогда:
d₁² = L₂² - x² => d₁ = √(L₂² - x²)
Выражаем T₁ из уравнения моментов:
mg*d = T₁*d₁
T₁ = mg*d/d₁ = [mg*L*L₂ / 2√(L₂² + L²/4)] / √(L₂² - x²) = [1,3*10*4*3 / 2√(3² + 4²/4)] / √(3² - 1,8²) = 9,0138... = 9,0 H
ответ: 5,4 Н и 9,0 Н.
Объяснение:
1. Твёрдые тела под действием силы изменять свои форму и (или) объём. Взяв за концы металлическую линейку, можно её согнуть. Если перестать прикладывать силу, то линейка восстановит свою форму. Если сжать пружину (рис. 35), то она сократится, т.е. деформируется. При прекращении действия силы пружина вернётся в первоначальное
состояние.
Изменение формы или объёма тела при действии на него силы называется деформацией.
Если длина пружины в недеформированном состоянии l0, а после растяжения l, то изменение её длины l=l−l0=x, где l или x – удлинение или деформация.
2. При деформации в теле возникает сила упругости, которая стремится вернуть его в первоначальное состояние. Сила упругости (F⃗ упр) — сила, возникающая в теле в результате деформации, стремящаяся вернуть тело в первоначальное состояние и направленная в сторону, противоположную деформации (удлинению).
Так, при растяжении пружины эта сила направлена влево к положению равновесия, при
сжатии пружины сила упругости направлена вправо (рис. 36).
Если тело после прекращения действия силы принимает первоначальную форму, то деформация является упругой. Если тело после прекращения действия силы не принимает первоначальную форму, то деформация является неупругой или пластической.
3. При малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению. Поскольку сила упругости и деформация направлены в противоположные стороны, то: Fупр=−kΔl, где k — коэффициент пропорциональности, называемый жёсткостью тела. Жёсткость зависит от размеров тела, его формы, материала, из которого сделано тело.
Единица жесткости [k]=[F][Δl]; [k]=1Н1м=1Нм.
Формула Fупр=−kΔl выражает закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна удлинению (деформации) тела и направлена в сторону, противоположную деформации.
Важно понимать, что закон Гука справедлив при малых деформациях.
На рисунке 37 приведён график зависимости модуля силы упругости от деформации. Поскольку эта зависимость линейная, то графиком зависимости является прямая, проходящая через начало координат и составляющая угол α с осью абсцисс. По графику можно определить жёсткость тела. Например, значению деформации 2 см соответствует сила упругости 4 Н. Разделив 4 Н на 0,02 м, получим k = 200 Н/м. В треугольнике АОВ жёсткость k равна тангенсу угла α: k=tgα.
4. Существуют разные виды деформации: растяжения, сжатия, сдвига, изгиба и кручения. В рассмотренных примерах линейка подвергалась деформации изгиба, пружина — деформации растяжения и сжатия, винты, гайки, болты при закручивании испытывают деформацию кручения, тяжёлые предметы при перемещении по полу — деформацию сдвига.
5. Предположим, что на полу стоит ящик (рис. 38). На него действует сила тяжести F⃗ т, направленная вертикально вниз. Ящик, взаимодействуя с полом, деформирует его и деформируется сам. И на ящик, и на пол действует сила упругости, характеризующая их взаимодействие. Сила упругости N⃗ , действующая на ящик со стороны пола, приложена к ящику и направлена вертикально вверх; сила упругости P⃗ , действующая со стороны ящика на пол, приложена к полу и направлена вертикально вниз. Эта сила называется весом тела.