- •III. Основное уравнение динамики (динамика материальной точки)
- •1. Инерциальные системы отсчета
- •Решение задач
- •2. Неинерциальные системы отсчета
- •Решение задач
- •IV. Законы изменения и сохранения импульса системы
- •Решение задач
- •V. Законы изменения и сохранения энергии
- •1. Работа, мощность, энергия
Решение задач
4.1.
Космический
корабль перед отделением последней
ступени ракеты-носителя двигался со
скоростью
.
После отбрасывания последней ступени,
его скорость стала равной
,
при этом отделившаяся ступень удаляется
относительно корабля со скоростью
.
Какова масса
отделившейся ступени, если масса корабля
после отделения ступени равна
.
Решение.
Космический корабль двигался со скоростью
относительно Земли. Поскольку скорость
ракеты постоянна, рассматриваемая
система является замкнутой. Поэтому
согласно закону сохранения импульса
,
где
- скорость отделившейся ступени в
рассматриваемой системе отсчета.
Согласно правилу сложения скоростей
,
По
условию задачи
,
поэтому после подстановки получим
.
Решив полученное уравнение, получим массу отделившейся ступени
.
4.2.
Две одинаковые
тележки 1 и
2, на
каждой из которых находится по человеку,
движутся без трения по инерции навстречу
друг другу по параллельным рельсам.
Когда тележки поравнялись, с каждой из
них на другую прыгнул человек в направлении
перпендикулярном к движению тележек.
В результате тележка 1
остановилась,
а скорость тележки 2
стала
.
Найти первоначальные скорости тележек
и
,
если масса каждой тележки (без человека)
M,
а масса каждого человека m.
Решение. Импульс всей системы в результате прыжков людей, не изменится, поэтому
.
Направим ось X в направлении движения 1-ой тележки и запишем последнее выражение в проекциях на эту ось:
,
.
Импульс 1-ой тележки в конечном состоянии запишется как:
.
Из этих двух уравнений, найдем первоначальные скорости 1-ой и 2-ой тележек:
,
.
4.3.
Частица
1
столкнулась с частицей 2,
в результате чего возникла новая частица.
Найти ее скорость
и модуль
,
если масса у частицы 2
в
раза больше, чем у частицы 1, а их скорости
перед столкновением равны
и
,
где компоненты скорости даны в СИ.
Решение. Рассматриваемая система состоит из 2-х частиц. Силы, возникающие при ударе, будут внутренними, поэтому рассматриваемая система является замкнутой. Согласно закону сохранения импульса, импульс такой системы в результате столкновения не изменится:
.
Разделим
записанное уравнение на
и, учитывая, что
,
получим:
,
откуда![]()
.
Подставив
в полученное выражение
и
,
найдем вектор скорости образовавшейся
частицы:
,
с
учетом того, что
,
получим:
.
Модуль вектора скорости равен
м/с.
4.4.
В результате
взрыва камень разлетается на три части.
Два осколка движутся под прямым углом
друг к другу: первый массой
-
со скоростью
,
второй осколок массой
-
со скоростью
.
Третий осколок отлетает со скоростью
.
Какова его масса и в каком направлении
он движется.
Решение. I способ решения. Рассматриваемая система состоит их трех осколков. Внешней силой является сила тяжести. Но так как время разрыва камня очень мало, импульс внешней силы можно считать равным нулю, а силы, возникающие при взрыве, будут внутренними, поэтому рассматриваемая система является замкнутой. Следовательно, импульс камня до разрыва равен сумме импульсов осколков после разрыва:
![]()
.
Зададим
направление осей OX
и OY
как показано на рис.34. Зная направления
векторов
и
,
найдем построением вектор
:
.
Как видно из рисунка
и
.
Учитывая,
что
,
и
,
найдем массу третьего осколка:
.
Угол,
который образует вектор
с осью OX,
равен
.
II способ решения. Согласно закону сохранения импульса:
.
Составим уравнения в проекциях на оси OX и OY:
и
,
где
и
-
проекции вектора
на
оси OX
и OY
соответственно. Из последних двух
выражений найдем
и
.
Модуль
вектора
равен:
.
Как и при решении задачи первым способом, найдем массу третьего осколка:
.
Вектор
образует с осью OX
угол
.
4.5*.
Система
состоит из двух шариков массами
и
,
которые соединены между собой невесомой
пружинкой. В момент
шарикам сообщили скорости
и
,
после чего система начала двигаться в
однородном поле тяжести Земли. Пренебрегая
сопротивлением воздуха, найти зависимости
от времени импульса этой системы в
процессе движения и радиус-вектора ее
центра масс относительно его начального
положения.
Решение. а) Запишем уравнение движения системы (второй закон
Ньютона) в общем виде:
.
Система движется в однородном поле тяжести Земли, поэтому сила тяжести будет единственной внешней силой, действующей на систему:
.
Разделив переменные, приведем уравнение к виду, удобному для интегрирования:
.
Проинтегрировав
левую часть этого выражения от
до
,
а правую от 0 до t,
и учитывая, что начальный импульс системы
равен
,
найдем зависимость от времени импульса
системы в процессе движения:
![]()
.
б) Радиус-вектор центра масс в произвольный момент времени относительно его начального положения равен:
.
Найдем
зависимость
,
учитывая,
что импульс
системы равен произведению массы системы
на скорость ее центра масс
и
:
.
Подставив
значение
в уравнение
для
и проведя интегрирование, получим
искомую величину:
,
.
4.6.
Цепочка
массы
и длины
висит на нити, касаясь поверхности стола
своим нижним концом. После пережигания
нити цепочка упала на стол. Найти полный
импульс, который она передала столу.
Р
ешение.
Выберем малый элемент цепочки длиной
на высоте x
(рис.35).
Рассматривая свободное падение этого элемента, найдем его скорость у поверхности стола:
.
Масса
элемента цепочки длиной
равна
,
а импульс, переданный столу:
.
Проинтегрировав левую часть этого выражения от 0 до p, а правую от 0 до l, найдем полный импульс, переданный цепочкой столу:
.
4.7*.
Ракета, масса
которой в начальный момент времени
,
запущена вертикально вверх. Относительная
скорость выхода продуктов сгорания
,
расход горючего
(где
- масса горючего, сжигаемого в единицу
времени). Пренебрегая сопротивлением
воздуха, определите ускорение ракеты
через время
после начала ее движения. Поле силы
тяжести считать однородным.
Р
ешение.
Уравнение движения тела переменной
массы (уравнение Мещерского) имеет вид:
.
Учитывая, что ракета движется в однородном поле тяжести Земли, и сила тяжести - единственная внешняя сила, действующая на ракету, уравнение движения в проекциях на вертикальную ось X с положительным направлением вверх примет вид (рис.36):
.
Масса
ракеты через
время
после начала ее движения равна
,
а ускорение
ракеты:
.
4.8*.
Ракета
движется в отсутствие внешних сил,
выпуская непрерывную струю газа со
скоростью
,
постоянной относительно ракеты. Найти
скорость ракеты
в момент, когда ее масса равна
,
если в начальный момент времени она
имела массу
и ее скорость была равна нулю.
Решение. Запишем уравнение движения тела переменной массы (уравнение Мещерского):
.
Учитывая,
что по условию
,
преобразуем уравнение к виду удобному
для интегрирования:
.
Проинтегрировав
левую часть этого выражения от 0
до
,
а правую от
до
,
найдем искомую скорость ракеты:
.
Знак
«–» показывает, что скорость ракеты
противоположена направлению скорости
струи газа. По
условию задачи
-
const,
поэтому скорость ракеты не зависит от
времени сгорания топлива, а определяется
только отношением начальной и конечной
масс ракеты.
