29

Решение: Отрыв груза от сферы

ЕГЭ · Физика · Задание 29 · Динамика и гравитация
ВысокаяФИПИB2605CРазвёрнутое решение≈ 15 минутРазбор в 8 шагов
Условие

Система из грузов $m$ и $M$ и связывающей их лёгкой нерастяжимой нити в начальный момент покоится в вертикальной плоскости, проходящей через центр закреплённой сферы. Груз $m$ находится в точке $A$ на вершине сферы (см. рисунок). В ходе возникшего движения груз $m$ отрывается от поверхности сферы, пройдя по ней дугу $30^\circ$. Найдите массу $M$, если $m = 100\ \text{г}$. Размеры груза $m$ ничтожно малы по сравнению с радиусом сферы. Трением пренебречь. Сделайте схематический рисунок с указанием сил, действующих на грузы.

Иллюстрация к условию

Схема расположения грузов и сферы. Саму картинку ещё готовим — у остальных задач темы она на месте.

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

8 шагов
1

Обозначим через $\alpha$ угол, на который груз $m$ переместился от вершины сферы. В момент отрыва реакция сферы равна нулю.

$$N=0$$
2

Спроецируем второй закон Ньютона для груза $m$ на радиальное направление к центру сферы. Сила натяжения нити направлена по касательной и в радиальной проекции отсутствует.

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

Следовательно, скорость груза в момент отрыва равна:

$$v^2=gR\cos\alpha$$
4

Груз $m$ опускается на высоту $R(1-\cos\alpha)$, а груз $M$ опускается на расстояние $R\alpha$. По закону сохранения энергии:

$$mgR(1-\cos\alpha)+MgR\alpha=\frac{(m+M)v^2}{2}$$
5

Подставим условие отрыва и сократим на $gR$:

$$m(1-\cos\alpha)+M\alpha=\frac{m+M}{2}\cos\alpha$$
6

При $\alpha=30^\circ=\dfrac{\pi}{6}$ получаем:

$$M\left(\frac{\pi}{6}-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)=m\left(\frac{3\sqrt{3}}{4}-1\right)$$
7

Отсюда:

$$M=m\frac{\frac{3\sqrt{3}}{4}-1}{\frac{\pi}{6}-\frac{\sqrt{3}}{4}}\approx3.29m$$

При $m=100\ \text{г}$ масса второго груза равна:

$$M\approx3.29\cdot100\ \text{г}\approx329\ \text{г}$$
Ответ

Масса груза $M\approx329\ \text{г}$, или примерно $0{,}33\ \text{кг}$.

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

Где здесь ошибаются

Не учитывать, что в момент отрыва реакция сферы равна нулю.

Считать, что сила натяжения имеет радиальную составляющую.

Использовать угол $30^\circ$ в градусах непосредственно в формуле для длины дуги вместо $\alpha=\pi/6$.

Не учитывать изменение потенциальной энергии груза $M$.

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 8 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.