Горизонтальный диск массы M и радиуса R может свободно вращаться относительно вертикальной оси, проходящей через его центр O. На диске нарисована окружность вдвое меньшего радиуса, проходящая через центр диска. Человек массы m проходит по нарисованной окружности, выходя из точки O и возвращаясь в эту же точку. На какой угол повернётся диск к моменту завершения обхода?
Ответы на вопрос
Ответ: к моменту возвращения человека в точку диск повернётся на угол
Причём диск повернётся в сторону, противоположную направлению движения человека по нарисованной окружности.
Подробное решение
1. Используем закон сохранения момента импульса.
Поскольку диск может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, а внешний момент сил относительно этой оси равен нулю, суммарный момент импульса системы «диск — человек» сохраняется.
Первоначально система покоится, поэтому её полный момент импульса равен нулю:
Момент инерции однородного диска относительно вертикальной оси, проходящей через его центр:
Человека будем рассматривать как материальную точку массы .
2. Зададим положение человека на диске.
Радиус нарисованной окружности равен
Поскольку она проходит через центр диска , расстояние между её центром и точкой также равно .
Выберем систему координат, связанную с диском, направив ось к центру нарисованной окружности.
Положение человека на этой окружности можно задать параметрически:
Здесь — угол, отсчитываемый относительно центра маленькой окружности.
В начальный момент человек находится в точке , что соответствует . После полного обхода окружности:
Расстояние человека от оси вращения диска равно
Подставляя выражения для координат, получаем:
С учётом :
3. Запишем момент импульса системы.
Пусть — угол поворота диска относительно неподвижной системы отсчёта.
Момент импульса самого диска:
Человек движется относительно диска, который одновременно вращается. Поэтому момент импульса человека относительно точки равен
При этом
Следовательно,
Похожие вопросы
Топ вопросов за вчера в категории Физика
Последние заданные вопросы в категории Физика
-
Математика
-
Литература
-
Алгебра
-
Русский язык
-
Геометрия
-
Английский язык
-
Химия
-
Физика
-
Биология
-
Другие предметы
-
История
-
Обществознание
-
Окружающий мир
-
География
-
Українська мова
-
Информатика
-
Українська література
-
Қазақ тiлi
-
Экономика
-
Музыка
-
Право
-
Беларуская мова
-
Французский язык
-
Немецкий язык
-
МХК
-
ОБЖ
-
Психология
-
Физкультура и спорт
-
Астрономия
-
Кыргыз тили
-
Оʻzbek tili

