Краткие ответы
- \(a_{\text{ц}}=1\ \text{м/с}^2\)
- \(a_{\text{ц}}=250\ \text{м/с}^2\)
- \(a_{\text{ц}}=0{,}2\ \text{м/с}^2\)
- \(v=3\ \text{м/с}\)
- \(v=2{,}4\ \text{м/с}\)
- \(v_{\max}=20\ \text{м/с}=72\ \text{км/ч}\)
- \(F\approx772\ \text{Н}\approx0{,}77\ \text{кН}\)
Основная формула
Центростремительное ускорение:
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R} \]
Если нужно найти скорость:
\[ v=\sqrt{a_{\text{ц}}R} \]
При движении по повороту сила, создающая центростремительное ускорение:
\[ F_{\text{ц}}=ma_{\text{ц}}=\frac{mv^2}{R} \]
Решение
Задача 1
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R} =\frac{10^2}{100} =\frac{100}{100}=1\ \text{м/с}^2 \]
Задача 2
При качении колеса без проскальзывания скорость точки обода относительно оси равна скорости автомобиля:
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R} =\frac{10^2}{0{,}4} =250\ \text{м/с}^2 \]
Задача 3
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R} =\frac{1000^2}{5\cdot10^6} =\frac{10^6}{5\cdot10^6} =0{,}2\ \text{м/с}^2 \]
Задача 4
\[ v=\sqrt{a_{\text{ц}}R} =\sqrt{4\cdot2{,}25} =\sqrt{9}=3\ \text{м/с} \]
Задача 5
\[ v=\sqrt{a_{\text{ц}}R} =\sqrt{2{,}88\cdot2} =\sqrt{5{,}76}=2{,}4\ \text{м/с} \]
Задача 6
Чтобы автомобиль не занесло, сила трения должна обеспечивать центростремительную силу:
\[ \frac{mv^2}{R}\leq F_{\text{тр max}} \]
Отсюда:
\[ v_{\max}=\sqrt{\frac{F_{\text{тр max}}R}{m}} \]
Переведём единицы:
\[ m=1\ \text{т}=1000\ \text{кг},\qquad F_{\text{тр max}}=4\ \text{кН}=4000\ \text{Н} \]
\[ v_{\max}=\sqrt{\frac{4000\cdot100}{1000}} =\sqrt{400}=20\ \text{м/с} \]
Переведём в километры в час:
\[ 20\cdot3{,}6=72\ \text{км/ч} \]
Задача 7
Масса вагона:
\[ m=10\ \text{т}=10000\ \text{кг} \]
Скорость:
\[ v=10\ \text{км/ч}=\frac{10}{3{,}6}\approx2{,}78\ \text{м/с} \]
Горизонтальная сила:
\[ F=\frac{mv^2}{R} =\frac{10000\cdot(2{,}78)^2}{100} \approx772\ \text{Н} \]
Вагон действует на рельсы силой, направленной от центра закругления. Рельсы действуют на вагон такой же по модулю силой, но к центру поворота.
Проверка: в задаче 6 при \(v=20\ \text{м/с}\)
\[ F_{\text{ц}}=\frac{1000\cdot20^2}{100}=4000\ \text{Н}=4\ \text{кН}, \]
то есть сила трения используется полностью.
