Краткий ответ
- \(v \approx 3{,}14\ \text{м/с}\)
- \(a_{\text{ц}} = 2{,}25\ \text{м/с}^2\)
- \(v \approx 7{,}8\ \text{км/с}\)
- \(v \approx 18{,}8\ \text{м/с}\)
- \(a_{\text{ц}} \approx 2{,}7\cdot10^{-3}\ \text{м/с}^2\)
Общий принцип
При движении по окружности:
\[ T=\frac{t}{N},\qquad \nu=\frac{1}{T}=\frac{N}{t} \]
где \(T\) — период (время одного оборота), \(\nu\) — частота (число оборотов за 1 с).
Линейная скорость:
\[ v=\frac{2\pi R}{T}=2\pi R\nu \]
Центростремительное ускорение:
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R}=\frac{4\pi^2R}{T^2} \]
Главное — перевести все величины в СИ: см в м, км/ч в м/с, минуты и сутки в секунды.
Решение по пунктам
1. \(R=10\ \text{см}=0{,}1\ \text{м}\), \(T=0{,}2\ \text{с}\).
\[ v=\frac{2\pi R}{T} =\frac{2\cdot3{,}14\cdot0{,}1}{0{,}2} \approx3{,}14\ \text{м/с} \]
2. \(v=54\ \text{км/ч}=54:3{,}6=15\ \text{м/с}\), \(R=100\ \text{м}\).
\[ a_{\text{ц}}=\frac{v^2}{R} =\frac{15^2}{100} =2{,}25\ \text{м/с}^2 \]
3. \(T=90\ \text{мин}=5400\ \text{с}\).
Радиус орбиты — это радиус Земли плюс высота:
\[ R=6400+320=6720\ \text{км}=6{,}72\cdot10^6\ \text{м} \]
\[ v=\frac{2\pi R}{T} =\frac{2\cdot3{,}14\cdot6{,}72\cdot10^6}{5400} \approx7{,}8\cdot10^3\ \text{м/с} \]
То есть примерно \(7{,}8\ \text{км/с}\).
4. \(R=30\ \text{см}=0{,}3\ \text{м}\).
\[ 600\ \text{об/мин}=10\ \text{об/с} \]
Значит, частота \(\nu=10\ \text{Гц}\).
\[ v=2\pi R\nu =2\cdot3{,}14\cdot0{,}3\cdot10 \approx18{,}8\ \text{м/с} \]
5. \(R=380\,000\ \text{км}=3{,}8\cdot10^8\ \text{м}\).
\[ T=27{,}3\ \text{сут} =27{,}3\cdot24\cdot3600 \approx2{,}36\cdot10^6\ \text{с} \]
\[ a_{\text{ц}}=\frac{4\pi^2R}{T^2} =\frac{4\cdot3{,}14^2\cdot3{,}8\cdot10^8}{(2{,}36\cdot10^6)^2} \approx2{,}7\cdot10^{-3}\ \text{м/с}^2 \]
Проверка
- В задаче 1 за \(0{,}2\ \text{с}\) точка проходит длину окружности \(2\pi R\approx0{,}628\ \text{м}\), значит за \(1\ \text{с}\) — примерно \(3{,}14\ \text{м}\). Верно.
- В задаче 2 скорость \(15\ \text{м/с}\), радиус \(100\ \text{м}\), ускорение \(2{,}25\ \text{м/с}^2\) — порядок величины разумный.
- В задаче 3 получилась первая космическая скорость около \(7{,}8\ \text{км/с}\) — это соответствует реальному движению спутника.
- В задаче 4 скорость около \(19\ \text{м/с}\), то есть примерно \(68\ \text{км/ч}\), — правдоподобно для автомобиля.
- В задаче 5 ускорение Луны действительно очень мало: около \(0{,}0027\ \text{м/с}^2\).
