Вопрос задан 07.11.2026 в 14:25. Предмет Физика. Спрашивает Лавренчук Кира.

Горизонтальный диск вращается без трения по инерции с угловой скоростью ω₀ относительно вертикальной оси, проходящей через его центр. Жук (материальная точка), находившийся в центре диска, начинает двигаться по радиусу с постоянной скоростью v относительно диска. На какой угол повернётся диск через t с после начала движения жука, если массы жука и диска одинаковы?

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Мишин Михаил.

Решим задачу, используя закон сохранения момента импульса относительно вертикальной оси, проходящей через центр диска.

Дано:

  • Начальная угловая скорость диска — ω0\omega_0.

  • Скорость движения жука относительно диска — vv.

  • Масса диска — MM.

  • Масса жука — m=Mm=M.

  • Время движения — tt.

  • Трением пренебрегаем.

Найти: угол поворота диска за время tt.

1. Закон сохранения момента импульса

Поскольку внешние моменты сил относительно вертикальной оси отсутствуют, момент импульса системы «диск — жук» сохраняется.

Изначально жук находится в центре диска, поэтому его момент инерции относительно оси вращения равен нулю. Следовательно,

L0=I0ω0,L_0=I_0\omega_0,

где I0I_0 — момент инерции диска.

Когда жук начинает двигаться по радиусу, его расстояние от центра диска через время tt составляет

r=vt.r=vt.

Момент инерции системы становится равным

I=I0+mr2.I=I_0+mr^2.

По закону сохранения момента импульса:

I0ω0=(I0+mr2)ω,I_0\omega_0=(I_0+mr^2)\omega,

откуда текущая угловая скорость диска:

ω=I0ω0I0+mv2t2.\omega=\frac{I_0\omega_0}{I_0+mv^2t^2}.

2. Учитываем, что массы диска и жука одинаковы

Для однородного диска момент инерции равен

I0=12MR2,I_0=\frac12 MR^2,

где RR — радиус диска.

Так как m=Mm=M, получаем:

ω(t)=12MR2ω012MR2+Mv2t2.\omega(t)= \frac{\frac12 MR^2\omega_0} {\frac12 MR^2+Mv^2t^2}.

Сокращаем массу:

ω(t)=R2ω0R2+2v2t2.\omega(t)= \frac{R^2\omega_0}{R^2+2v^2t^2}.

3. Находим угол поворота диска

Угол поворота определяется интегрированием угловой скорости по времени:

φ(t)=∫0tω(τ) dτ.\varphi(t)=\int_0^t\omega(\tau)\,d\tau.

Подставляем выражение для угловой скорости:

φ(t)=ω0∫0tR2R2+2v2τ2 dτ.\varphi(t)= \omega_0\int_0^t \frac{R^2}{R^2+2v^2\tau^2}\,d\tau.

Используем стандартный интеграл:

∫dxa2+b2x2=1abarctan⁡bxa.\int\frac{dx}{a^2+b^2x^2} = \frac{1}{ab}\arctan\frac{bx}{a}.

В результате получаем:

φ(t)=ω0R2 varctan⁡(2 vtR)\boxed{ \varphi(t)= \frac{\omega_0R}{\sqrt{2}\,v} \arctan\left(\frac{\sqrt{2}\,vt}{R}\right) }

Ответ

Итоговая формула
φ(t)=ω0R2 varctan⁡(2 vtR)\boxed{ \displaystyle \varphi(t)= \frac{\omega_0R}{\sqrt{2}\,v} \arctan\left(\frac{\sqrt{2}\,vt}{R}\right) }

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос