РУҚА
29

Решение: Шайба на вращающемся конусе

ЕГЭ · Физика · Задание 29 · Динамика и гравитация
ВысокаяФИПИAE66B8Развёрнутое решение≈ 15 минутРазбор в 6 шагов
Условие

Полый конус с углом при вершине $2\alpha$ вращается с угловой скоростью $\omega$ вокруг вертикальной оси, совпадающей с его осью симметрии. Вершина конуса обращена вверх. На внешней поверхности конуса находится небольшая шайба. При каком минимальном коэффициенте трения шайба будет неподвижна относительно конуса на расстоянии $L$ от вершины конуса? Сделайте схематический рисунок с указанием сил, действующих на шайбу.

reshai.online dd68be64fa4dmgFцNFтрαось вращенияСхема сил, действующих на шайбу во вращающейся системе отсчёта
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

6 шагов
1

Рассмотрим движение в системе отсчёта, связанной с конусом. В этой системе шайба покоится. На неё действуют сила тяжести $m\vec g$, центробежная сила $\vec F_{\mathrm{ц}}$ величины $m\omega^2r$, нормальная реакция поверхности $\vec N$ и сила трения $\vec F_{\mathrm{тр}}$.

$$F_{\mathrm{ц}}=m\omega^2r$$
2

Так как шайба находится на расстоянии $L$ от вершины по образующей конуса, расстояние до оси вращения равно

$$r=L\sin\alpha$$
3

Выберем направление вдоль образующей от вершины вниз. Проекции силы тяжести и центробежной силы на это направление складываются:

$$F_{\mathrm{тр}}=mg\cos\alpha+m\omega^2r\sin\alpha$$
4

После подстановки $r=L\sin\alpha$ сила трения, необходимая для равновесия шайбы, равна

$$F_{\mathrm{тр}}=m\left(g\cos\alpha+\omega^2L\sin^2\alpha\right)$$
5

Проекции результирующей силы тяжести и центробежной силы на направление, перпендикулярное поверхности, определяют нормальную реакцию:

$$N=m\left|\omega^2r\cos\alpha-g\sin\alpha\right|=m\left|\omega^2L\sin\alpha\cos\alpha-g\sin\alpha\right|$$

В предельном случае покоя сила трения равна максимальной силе трения $\mu N$. Поэтому минимальный коэффициент трения равен отношению требуемой силы трения к нормальной реакции.

$$\mu_{\min}=\frac{g\cos\alpha+\omega^2L\sin^2\alpha}{\left|g\sin\alpha-\omega^2L\sin\alpha\cos\alpha\right|}$$
Ответ

$\displaystyle \mu_{\min}=\frac{g\cos\alpha+\omega^2L\sin^2\alpha}{\left|g\sin\alpha-\omega^2L\sin\alpha\cos\alpha\right|}$. Сила трения направлена вдоль образующей к вершине конуса.

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

Где здесь ошибаются

Принимать расстояние $L$ от вершины за расстояние до оси вращения вместо $r=L\sin\alpha$.

Забывать центробежную силу при рассмотрении системы отсчёта, связанной с конусом.

Складывать силы трения и нормальной реакции без предварительного разложения сил по направлениям.

Не учитывать модуль при вычислении нормальной реакции.

Закрепить приёмВ теме «Динамика и гравитация» ещё 238 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 29 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 6 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Динамика и гравитация»: в ней 239 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.