РУҚА
Задания № 19, 20 · ЕГЭ

Движение системы связанных тел

Как составлять уравнения движения для тел, соединённых нитями и блоками
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Система связанных тел — это несколько тел, движение которых ограничено нитями, блоками, направляющими или другими связями. Главная идея решения: отдельно рассмотреть силы, действующие на каждое тело, записать второй закон Ньютона, а затем добавить уравнения связи между ускорениями тел.

Модель системы и основные шаги

Перед решением уточните, какие тела входят в систему, какие связи считаются идеальными и что именно требуется найти. Обычно в школьных задачах нить невесома и нерастяжима, блок невесом и вращается без трения, а сопротивлением воздуха пренебрегают. Если эти условия не указаны, их нельзя автоматически считать выполненными.

D
Система связанных тел

Система связанных тел — это тела, координаты и ускорения которых связаны условиями движения нитей, блоков или направляющих. Например, для двух грузов на концах одной нерастяжимой нити модули ускорений равны: \(a_1=a_2\).

T
Правило составления уравнений

Для каждого тела в выбранной инерциальной системе отсчёта записывают векторное уравнение \(\sum \vec F=m\vec a\). После проекции на оси получают скалярные уравнения. Число независимых уравнений должно соответствовать числу неизвестных.

  1. Сделайте схему и обозначьте тела, силы, направления движения и ускорений.
  2. Выберите оси координат: на горизонтали — вдоль движения, на наклонной плоскости — вдоль и перпендикулярно плоскости.
  3. Для каждого тела запишите второй закон Ньютона в проекциях.
  4. Добавьте условие связи: равенство ускорений или связь их модулей.
  5. Решите систему уравнений и проверьте знак, единицы и физический смысл ответа.
\(m\)
масса
кг
\(a\)
ускорение
м/с²
\(T\)
сила натяжения нити
Н
\(N\)
реакция опоры
Н
\(\mu\)
коэффициент трения
1

Нить, блок и условие связи

В силе натяжения нити важно различать идеальную и реальную нить. У идеальной невесомой нити натяжение одинаково по всей длине, если блок также идеален. Нить действует на каждое прикреплённое тело вдоль нити и растягивает его.

Для одной нерастяжимой нити, перекинутой через неподвижный идеальный блок, перемещения концов равны по модулю. Поэтому равны и модули скоростей и ускорений: \(a_1=a_2\). Если одно тело движется вверх, другое движется вниз. При выборе положительных направлений это можно записать как \(a_1=-a_2\).

\[T_1=T_2=T,\qquad |a_1|=|a_2|\]

Подвижный блок меняет условие связи: если груз поддерживается двумя ветвями одной нити, то перемещение свободного конца примерно в два раза больше перемещения блока. Соответственно, для модулей ускорений обычно получается \(a_{\text{св}}=2a_{\text{бл}}\). Такое соотношение нужно выводить из длины нити, а не запоминать без рисунка.

m₁m₂блокa₂a₁
Два груза на концах одной нерастяжимой нити: ускорения направлены в противоположные стороны.
Проверь себя

Груз \(m\) висит на подвижном идеальном блоке и поддерживается двумя ветвями одной нити. Как связаны модули ускорения свободного конца нити \(a_с\) и блока \(a_б\)?

Силы и проекции для типичных систем

На подвешенное тело обычно действуют сила тяжести \(mg\) вниз и натяжение \(T\) вверх. Если тело движется вниз и ось направлена вниз, уравнение имеет вид \(mg-T=ma\). Для тела на горизонтальной поверхности вертикальное ускорение равно нулю, поэтому при отсутствии других вертикальных сил \(N=mg\).

На наклонной плоскости силу тяжести удобно разложить на составляющие: вдоль плоскости \(mg\sin\alpha\), перпендикулярно плоскости \(mg\cos\alpha\). Если используется реакция опоры на наклонной плоскости, то при отсутствии иных перпендикулярных сил \(N=mg\cos\alpha\). При трении сила трения равна \(F_{тр}=\mu N\) и направлена против относительного движения или возможного скольжения.

\[F_{\parallel}=mg\sin\alpha,\qquad F_{\perp}=mg\cos\alpha,\qquad F_{тр}=\mu N\]

Иногда удобно рассматривать всю систему целиком. Внутренние силы натяжения при этом сокращаются, и остаются только внешние силы. Такой способ особенно полезен для нахождения общего ускорения. Затем уравнение для одного тела позволяет найти натяжение.

Когда рассматривать систему целиком

Если натяжение не требуется, объедините тела в одну систему: \(\sum F_{внеш}=(m_1+m_2+\dots)a\). Это уменьшает число неизвестных. Но для нахождения \(T\) всё равно понадобится отдельное уравнение для одного из тел.

Разобранный пример: машина Атвуда

Два груза \(m_1=3\,\text{кг}\) и \(m_2=2\,\text{кг}\) соединены невесомой нерастяжимой нитью, перекинутой через невесомый неподвижный блок. Найдём ускорение системы и силу натяжения. Сопротивлением пренебречь, \(g=10\,\text{м/с}^2\).

№
Выбор направлений

Так как \(m_1>m_2\), груз \(m_1\) движется вниз, а \(m_2\) — вверх. Выберем для каждого тела положительное направление по движению. Тогда оба ускорения имеют один и тот же модуль \(a\).

1
Для груза \(m_1\) вниз направлена сила тяжести, вверх — натяжение.
\(\displaystyle m_1g-T=m_1a\)
2
Для груза \(m_2\) вверх направлено натяжение, вниз — сила тяжести.
\(\displaystyle T-m_2g=m_2a\)
3
Сложим уравнения: натяжение — внутренняя сила системы и сокращается.
\(\displaystyle (m_1-m_2)g=(m_1+m_2)a\)
4
Найдём ускорение.
\(\displaystyle a=\frac{(m_1-m_2)g}{m_1+m_2}=\frac{(3-2)\cdot10}{3+2}=2\,\text{м/с}^2\)
5
Подставим ускорение в уравнение для второго груза и найдём натяжение.
\(\displaystyle T=m_2(g+a)=2(10+2)=24\,\text{Н}\)

Ответ: \(a=2\,\text{м/с}^2\); груз \(3\,\text{кг}\) движется вниз, груз \(2\,\text{кг}\) — вверх; \(T=24\,\text{Н}\). Проверка: для лёгкого груза \(T>m_2g\), поэтому он действительно ускоряется вверх.

Связь с импульсом и неинерциальными системами

Если внешние силы известны, систему можно исследовать через изменение импульса, однако в большинстве задач на блоки быстрее применять второй закон Ньютона. При переходе в систему отсчёта, движущуюся с ускорением, появляются силы инерции. Их направление противоположно ускорению системы, а модуль равен \(ma\).

Для сложных связей полезно отдельно выписать геометрическое условие постоянства длины нити. Оно связывает координаты, а после дифференцирования по времени — скорости и ускорения. Не следует переносить правило \(a_1=a_2\) на любую систему блоков: число ветвей, поддерживающих груз, меняет связь.

!
Частые ошибки

1. Одинаковое натяжение считают верным для массивного блока: при его вращении натяжения по разные стороны могут различаться. 2. Ставят силу трения по направлению движения тела, хотя она направлена против скольжения. 3. Пишут \(N=mg\) на наклонной плоскости вместо \(N=mg\cos\alpha\). 4. Не задают направления осей и путают знаки. 5. Используют \(a_1=a_2\) для подвижного блока без вывода длины нити. 6. Смешивают массы в килограммах и силы в ньютонах.

Алгоритм проверки ответа

  • Ускорение направлено в сторону большего результирующего усилия.
  • Натяжение имеет единицы ньютона и обычно не превышает бессмысленно большую величину.
  • При равных массах в симметричной системе ускорение равно нулю.
  • Если убрать трение, ускорение не должно уменьшаться в задаче, где трение препятствует движению.
  • Все найденные величины согласуются с условием связи.
Q
Быстрый тест по теме

Быстрый тест

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · условие связи
Два тела соединены идеальной нитью через неподвижный блок. Каковы модули их ускорений?
Главное за минуту

Главное

  • Для каждого тела отдельно записывайте \(\sum\vec F=m\vec a\), затем переходите к проекциям на выбранные оси.
  • Условия связи определяются геометрией нерастяжимой нити: у неподвижного блока модули ускорений концов равны, у подвижного блока появляются множители.
  • В идеальной системе натяжение одинаково по всей нити; при рассмотрении всей системы внутренние натяжения сокращаются.
  • На наклонной плоскости используйте \(mg\sin\alpha\), \(mg\cos\alpha\) и \(F_{тр}=\mu N\).
  • После решения обязательно проверьте направление ускорения, единицы измерения и физический смысл результата.