РУҚА
22

Решение: Свободное падение с полусферы

ЕГЭ · Физика · Задание 22 · Энергия и импульс
ВысокаяФИПИ29FE54Развёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 9 шагов
Условие

На горизонтальной поверхности неподвижно закреплена абсолютно гладкая полусфера радиусом $R = 2{,}5\ \text{м}$. С её верхней точки из состояния покоя соскальзывает маленькое тело. В некоторой точке тело отрывается от сферы и летит свободно. Найдите время свободного падения тела от момента отрыва до падения на поверхность. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

9 шагов
1

Пусть $\alpha$ — угол между вертикальным радиусом, проведённым к точке отрыва, и вертикалью. До отрыва тело движется по внешней поверхности полусферы.

2

В точке отрыва сила реакции опоры равна нулю. Проекция второго закона Ньютона на радиальное направление имеет вид:

$$mg\cos\alpha = \frac{mv^2}{R}$$
3

По закону сохранения механической энергии между верхней точкой и точкой отрыва:

$$mgR(1-\cos\alpha)=\frac{mv^2}{2}$$
4

Из первого уравнения $v^2 = gR\cos\alpha$. Подставляя это выражение во второе уравнение, получаем:

$$gR(1-\cos\alpha)=\frac{gR\cos\alpha}{2},\qquad \cos\alpha=\frac{2}{3}$$
5

Скорость тела в момент отрыва и координаты точки отрыва относительно горизонтальной поверхности равны:

$$v^2=\frac{2gR}{3},\qquad y_0=R\cos\alpha=\frac{2R}{3}$$
6

Вертикальная составляющая скорости направлена вниз и равна:

$$v_y=v\sin\alpha=\sqrt{\frac{2gR}{3}}\cdot\frac{\sqrt{5}}{3}=\sqrt{\frac{10gR}{27}}$$
7

После отрыва тело движется как тело, брошенное вертикально вниз с высоты $y_0$. Условие падения на горизонтальную поверхность:

$$\frac{2R}{3}-\sqrt{\frac{10gR}{27}}t-\frac{gt^2}{2}=0$$
8

Положительный корень этого уравнения:

$$t=\frac{1}{g}\left(\sqrt{\frac{10gR}{27}}+\sqrt{\frac{46gR}{27}}\right)=\sqrt{\frac{R}{27g}}\left(\sqrt{10}+\sqrt{46}\right)$$

При $R=2{,}5\ \text{м}$ и $g\approx10\ \text{м/с}^2$:

$$t\approx0{,}96\ \text{с}$$
Ответ

$t\approx0{,}96\ \text{с}$

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Используют условие $mg = \dfrac{mv^2}{R}$ вместо радиальной проекции силы тяжести.

Считают высоту точки отрыва равной $R$, хотя она равна $\dfrac{2R}{3}$.

Не учитывают вертикальную составляющую скорости тела в момент отрыва.

Выбирают отрицательный корень квадратного уравнения для времени.

Закрепить приёмВ теме «Энергия и импульс» ещё 147 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 22 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 9 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Энергия и импульс»: в ней 148 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.