РУҚА
Тапсырмалар № 19, 20 · ЕГЭ

Движение по вертикальной окружности

Силы, скорости и условия отрыва тела при движении по вертикальной окружности
6 мин чтенияҚиындық: Обновлено 27 қыркүйек 2026

Движение по вертикальной окружности отличается от движения по горизонтальной тем, что сила тяжести меняет не только скорость тела, но и направление относительно центра окружности. Поэтому в каждой точке нужно отдельно составлять уравнение сил, а скорость удобно находить с помощью закона сохранения механической энергии.

Модель и основные величины

Рассмотрим тело массой \(m\), движущееся по окружности радиуса \(R\). Тело может быть соединено с нитью, двигаться по внутренней поверхности сферы или скользить по внешней поверхности. В школьных задачах обычно пренебрегают сопротивлением воздуха и массой нити, а ускорение свободного падения считают постоянным: \(g=9{,}8\ \text{м/с}^2\) немесе \(g=10\ \text{м/с}^2\).

D
Вертикальная окружность

Вертикальная окружность — траектория, плоскость которой вертикальна, поэтому высота тела и направление силы тяжести изменяются при движении. Центростремительное ускорение в любой точке направлено к центру: \(a_ц=\frac{v^2}{R}\).

\(m\)
масса
кг
\(R\)
радиус окружности
м
\(v\)
скорость
м/с
\(T\)
сила натяжения нити
Н
\(N\)
реакция опоры
Н
\(g\)
ускорение свободного падения
м/с²

Главный приём — выбрать точку окружности и положительное направление к центру, затем спроектировать все силы на радиальное направление. Согласно центростремительному ускорению, сумма радиальных проекций сил должна равняться \(m\frac{v^2}{R}\).

vmgTRO
Силы в верхней точке: сила тяжести и натяжение направлены к центру, скорость — по касательной.

Уравнение сил в разных точках

В верхней точке окружности центр находится внизу. Если тело удерживается нитью, и нить натянута, обе силы — \(mg\) и \(T\) — направлены к центру. Поэтому

\[T+mg=m\frac{v_{\text{в}}^2}{R}\]

В нижней точке центр находится сверху. Сила натяжения направлена к центру, а сила тяжести — от центра. Получаем

\[T-mg=m\frac{v_{\text{н}}^2}{R}\]

В боковой точке радиус направлен горизонтально, а сила тяжести вертикальна и не имеет радиальной проекции. Поэтому при движении по нити \(T=m\frac{v^2}{R}\).

T
Радиальное уравнение

В любой точке окружности алгебраическая сумма проекций всех сил на направление к центру равна \(m\frac{v^2}{R}\). Знак каждой силы определяется тем, направлена ли она к центру или от центра.

Условия натяжения и отрыва

Нить может только тянуть тело, поэтому сила натяжения не бывает отрицательной: \(T\ge 0\). При \(T=0\) нить перестаёт действовать — тело начинает двигаться как свободное тело по касательной, а затем по параболе под действием силы тяжести.

T
Условие отрыва в верхней точке

Для тела на нити минимальная скорость в верхней точке соответствует \(T=0\). Тогда \(mg=m\frac{v_{\text{в}}^2}{R}\), откуда \(v_{\text{в,min}}=\sqrt{gR}\). При меньшей скорости нить провиснет, и полный оборот невозможен.

\[v_{\text{в,min}}=\sqrt{gR}\]

Если тело движется по внутренней поверхности гладкой сферы, условие отрыва также записывается как \(N=0\): реакция опоры исчезает. Для внешней поверхности сила реакции в верхней точке направлена от центра, поэтому радиальное уравнение имеет вид \(mg-N=m\frac{v^2}{R}\). Отрыв происходит при \(N=0\), но такая траектория обычно возможна только на ограниченном участке.

Проверь себя

В верхней точке тело движется по нити. Что произойдёт при уменьшении скорости ниже \(\sqrt{gR}\)?

Скорость по закону сохранения энергии

Если сопротивления нет, механическая энергия сохраняется. При подъёме на высоту \(h\) кинетическая энергия уменьшается на \(mgh\). Если тело движется из нижней точки в верхнюю, разность высот равна \(2R\):

\[\frac{mv_{\text{н}}^2}{2}=\frac{mv_{\text{в}}^2}{2}+2mgR\]
\[v_{\text{н}}^2=v_{\text{в}}^2+4gR\]

Эта связь не зависит от массы тела. Сила натяжения, напротив, обычно зависит от массы. Для полного оборота достаточно обеспечить условие в самой «опасной» точке — верхней. Если \(v_{\text{в}}^2\ge gR\), то в нижней точке скорость автоматически больше.

Минимальная скорость внизу

Для полного оборота тела на натянутой нити: \(v_{\text{в,min}}^2=gR\), поэтому по энергии \(v_{\text{н,min}}^2=5gR\) и \(v_{\text{н,min}}=\sqrt{5gR}\).

Разобранный пример

№
Минимальная скорость и натяжение

Шарик массой \(m=0{,}2\ \text{кг\) закреплён на нити длиной \(R=0{,}8\ \text{м\). Какую минимальную скорость нужно сообщить шарику в нижней точке, чтобы он совершил полный оборот? Найдите натяжение нити в нижней точке. Считать \(g=10\ \text{м/с}^2\).

1
В верхней точке минимального движения нить натянута предельно слабо, поэтому \(T=0\).
\(\displaystyle mg=m\frac{v_{\text{в}}^2}{R}\quad\Rightarrow\quad v_{\text{в}}^2=gR\)
2
Подставим значения.
\(\displaystyle v_{\text{в}}^2=10\cdot0{,}8=8\quad\Rightarrow\quad v_{\text{в}}=2\sqrt{2}\ \text{м/с}\)
3
Используем сохранение энергии между нижней и верхней точками.
\(\displaystyle v_{\text{н}}^2=v_{\text{в}}^2+4gR=8+4\cdot10\cdot0{,}8=40\)
4
Минимальная скорость внизу.
\(\displaystyle v_{\text{н}}=\sqrt{40}=2\sqrt{10}\approx6{,}3\ \text{м/с}\)
5
В нижней точке натяжение направлено к центру, а сила тяжести — от центра.
\(\displaystyle T-mg=m\frac{v_{\text{н}}^2}{R}\)
6
Найдём натяжение.
\(\displaystyle T=mg+m\frac{v_{\text{н}}^2}{R}=0{,}2\cdot10+0{,}2\cdot\frac{40}{0{,}8}=10+10=20\ \text{Н}\)

Жауабы: минимальная скорость в нижней точке равна примерно \(6{,}3\ \text{м/с}\), натяжение нити в нижней точке — \(20\ \text{Н}\). Заметим, что условие полного оборота задаётся верхней точкой, а наибольшее натяжение для этой задачи получается в нижней.

Частые ошибки и алгоритм шешімдер

  1. Сделайте рисунок и отметьте центр окружности, скорость и все силы.
  2. Для выбранной точки укажите направление к центру.
  3. Запишите радиальное уравнение второго закона Ньютона.
  4. Если точки имеют разную высоту, примените закон сохранения энергии.
  5. Для проверки контакта используйте \(T\ge0\) для нити или \(N\ge0\) для опоры.
!
Частые ошибки

Нельзя автоматически писать \(T=m\frac{v^2}{R}\): это верно только тогда, когда сила тяжести не имеет радиальной проекции. Нельзя считать скорость одинаковой во всех точках: на вертикальной окружности она меняется по высоте. Наконец, условие \(T=0\) означает предельный отрыв, а не отрицательное натяжение.

В задачах с опорой важно различать движение по внутренней и внешней поверхности. Сначала определите, куда направлена реакция опоры: тело давит на поверхность, а поверхность действует на тело перпендикулярно ей. Для более сложных случаев полезны страницы равновесие нескольких сил и вес тела в лифте — они помогают правильно понимать реакции и кажущийся вес.

Q
Жылдам тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · Кинематика
Как направлено центростремительное ускорение?
Главное за минуту

Главное

  • В любой точке сумма радиальных проекций сил равна \(m\frac{v^2}{R}\).
  • Скорость в разных точках вертикальной окружности связывается законом сохранения механической энергии.
  • Для нити условие контакта — \(T\ge0\); предельный отрыв соответствует \(T=0\).
  • Минимальная скорость в верхней точке: \(\sqrt{gR}\), в нижней точке для полного оборота: \(\sqrt{5gR}\).
  • Знаки сил в уравнении определяются их направлением относительно центра окружности.