Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

физика_мет.указ. к.р. № 1-2

.pdf
Скачиваний:
123
Добавлен:
09.06.2015
Размер:
3.49 Mб
Скачать

человека и скамьи J 6кг м2 . Массу колеса считать равномерно распределенной по ободу.

Дано: 1 10c 1 ;

R 200,2м ; m 3кг ;

180 ;

J 6кг м2 .

_______________________________

2 - ?

Решение.

Человек, держащий стержень, служащий осью вращения колеса, расположенного на верхнем конце стержня, составляет вместе со скамьей замкнутую механическую систему (предполагается, что моменты всех внешних сил, действующих на эту систему по отношению к оси вращения, являются уравновешивающими. Трением пренебрегаем), поэтому момент импульса этой

системы должен быть постоянным как по величине, так и по направлению.

Для нашего случая L1 L2 ; Так как момент импульса

L J ,

где J - момент инерции, - угловая скорость вращения системы, можем записать:

J к 1

J J к

2 ,

(1)

где J – суммарный момент инерции человека и скамьи; J к - момент инерции колеса,

Jк mR2 .

Момент инерции стержня равен нулю, т.к. стержень расположен вертикально вдоль оси вращения и в первом, и во втором случае.

Подставляем выражения для моментов инерции колеса в выражение (1), получаем:

mR2

1 J 2 mR2

1 .

Угловая скорость вращения

2 ,

где - частота вращения, следовательно,

 

 

 

 

 

 

mR2 2

 

1

 

J 2

2

 

mR2 2

1 ;

 

 

 

 

 

 

mR2

 

1

J

2

mR2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Проверка размерности расчетной формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг

м2

с 1

 

с 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

0,2 2

10

0,4(с 1 )

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

частота вращения скамьи равна

 

0,4с 1 .

 

Задача 8. Платформа в виде диска

радиусом R 1м вращается по

инерции

с частотой

1

6мин 1 .

На

 

краю

платформы

стоит человек, масса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которого

m

80кг . С

какой частотой

2

будет вращаться платформа, если

человек перейдет в ее центр? Момент

инерции платформы J 120кг м2 .

Момент инерции человека рассчитывать как для материальной точки.

Дано:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

1м ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

6мин 1

0,1с 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m1

80кг ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

2

120кг

м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_________________

2 ?

Решение.

Человек вместе с платформой составляет замкнутую механическую систему, поэтому момент импульса этой системы должен иметь постоянное значение.

Момент импульса системы в первом случае, когда человек стоял на краю платформы

L1

1 J1

1 J 2

1 J1 J 2 ,

(1)

где 1 2

1 - угловая скорость вращения платформы и человека в

первом случае,

J 1 - момент инерции

человека, J 2 - момент инерции

платформы.

 

 

 

Момент инерции человека можно определить по формуле:

 

J

1

m R2 .

 

 

1

Когда человек перейдет в центр платформы, момент инерции человека станет равным нулю (расстояние до оси вращения R 0 ), следовательно, во втором случае момент импульса человека станет равным нулю.

Момент импульса системы во втором случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

 

 

2 J 2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где 2

2

2 - угловая

 

скорость

вращения

 

платформы во втором

случае.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишем закон сохранения импульса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

 

L2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

m

R2

 

J

2

 

2

 

 

 

 

 

2

 

J

2

;

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

m

R2

 

J

2

 

2

 

J

2

;

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

m R 2

J

2

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

J 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка размерности расчетной формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

кг м

2

кг

м

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг

м 2

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

Произведем вычисление:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1

80

 

120

 

 

0,17с 1 .

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

если

человек перейдет в центр платформы, платформа будет

вращаться с частотой равной 0,17с 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры решения задач по теме «Механика жидкостей и газов»

Задача 1. В дне цилиндрического сосуда имеется круглое отверстие диаметром d=1см. Диаметр сосуда D=0,5 м. Найти зависимость скорости v понижения уровня воды в сосуде от высоты h. Определить численное значение этой скорости для высоты h=0,2 м.

Дано:

d

1см 10 2 м;

D

0,5см 0,5 10 2 м;

h

0,2м.

__________ __________ _

V (h) ?

D

v1

h

v2

d

Рис.

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть S1 - площадь поперечного

сечения

сосуда;

S2

-

площадь

поперечного сечения отверстия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2

d 2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

1

- скорость понижения уровня воды в сосуде,

2

-

скорость

вытекания воды из отверстия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По теореме Бернулли

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

,

 

 

 

(1)

 

 

 

1

gh

 

2

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где 1

и

2 - скорости для сечений отверстий

S1 и S 2 .

 

 

 

Из (1) имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2gh

2 .

1

 

2

В силу неразрывности струи

 

 

1S1

2 S2 .

 

1S1 .

 

2

S2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

S2

 

 

2gh ;

 

 

 

1

 

 

 

2gh .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S12

S22

 

 

 

 

D4

d 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 4

D4 , поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 2

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( h )

 

2gh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка размерности расчетной формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м2

м

 

 

м / с .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисление:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10 2 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 9,8

0,2

 

7,9

 

10 4 (м / с)

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(0,5)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: зависимость скорости понижения

 

уровня воды от

высоты

 

 

 

 

d 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выражается формулой:

( h )

 

 

2gh

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для

указанной

высоты

скорость

 

понижения уровня воды

равна

7,9 10 4 м / с .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2. Найти, с какой скоростью течет по трубе углекислый газ, если известно, что за время t = 0,5ч через поперечное сечение трубы протекает m = 051кг плотность газа p = 7,5 кг/м3 . Диаметр трубы d = 2см.

Дано:

t

0,5ч 1800с;

m

0,51кг;

 

7,5кг / м3 ;

d 2см 0,02 м.

__________ ____

?

Решение.

Длина трубы, которую занимает газ,

l

V

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где V

 

m

- объем газа; S

 

d 2

- площадь поперечного сечения трубы

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диаметром d.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

4V

 

 

4m

,

(1)

 

 

 

 

 

 

d 2 / 4

 

d 2

d 2 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость течения углекислого газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

,

 

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

где l – длина трубы, t – время течения углекислого газа. Подставляем (2) в формулу (1), получаем:

4m . d 2 pt

Проверка размерности расчетной формулы:

 

 

кг

 

 

м

с .

 

 

 

 

 

м

2

кг / м

3

 

 

 

с

 

Произведем вычисление:

v

 

4

0,51

0,12м / с

 

 

 

 

 

 

2

 

3,14

0,02

7,5 1800

 

Ответ: углекислый газ течет по трубе со скоростью 0,12 м/с.

Задача 3. Горизонтальный цилиндр насоса имеет диаметр d1 = 20 см. В нем движется со скоростью 1 1м / с поршень, выталкивающий воду через

отверстие диаметром d2 = 2 см. С какой скоростью 2 будет вытекать вода из отверстия? Каково будет избыточное давление воды р в цилиндре?

Дано:

d1 = 20 см = 0,2 м

1

1м / с

 

d2 = 2 см = 0,02 м

103 кг / м3 .

_________________

2– ?

р– ?

Запишем уравнение неразрывности струи:

1S1 2 S2 ,

 

 

 

 

 

 

 

(1)

где S1 и S 2 - площади поперечного сечения трубок тока; 1

и 2 -

скорости жидкости через соответствующие сечения трубок тока.

 

Уравнение (1) перепишем в виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

2

 

 

 

d 2

 

 

 

1

 

 

 

2

;

 

1

4

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

d 2

 

 

 

 

 

1

.

 

 

2

d 2

 

 

 

 

2

 

 

Проверка размерности расчетной формулы:

 

м / с м

2

м / с .

 

 

 

 

2

м2

 

Запишем уравнение Бернулли для горизонтального цилиндра:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

1

 

 

 

p

 

 

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Избыточное давление:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

p p p

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

(

 

1 d1

 

2 )

 

 

1

(

d1

1) .

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

2

 

 

 

 

2 d 4

 

 

1

 

2

 

 

d

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Проверка размерности расчетной формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

кг

 

м2

м4

 

 

Н

 

Па .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м3

 

с2

м4

 

 

м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисления:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0.22

 

 

100(м / с) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0.022

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

103

 

12

 

 

 

0,2

4

 

1

 

5 106 Па .

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

0,024

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: скорость вытекания воды из отверстия равна 100 м / с ; избыточное давление воды в цилиндре равно 5 106 Па .

Задача 4. Стальной шарик диаметром d = 1мм падает с постоянной скоростью v = 0,185 см/с в большом сосуде, наполненном маслом. Определите

коэффициент

динамической вязкости

масла

. плотность стали

с

8,6 103 кг / м3

, касторового масла

к

0,9

103 кг / м3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

 

 

y

 

Fc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d = 1 мм = 1

10 3 м ,

 

 

FA

 

 

0,185см/ с

0,185 10 2 м / с;

 

 

 

 

 

 

 

 

с8,6 103 кг / м3 ,

к

0,9 103 кг / м3 .

 

 

__________________

 

- ?

V

 

 

 

 

m g

 

 

Рис.

Решение.

 

На шарик

(рис.) действуют сила тяжести m g , сила Архимеда FA и сила

сопротивления

FC . По условию задачи шарик движется равномерно,

следовательно, ускорение шарика равно нулю.

Запишем уравнение движения шарика:

 

 

 

 

 

0 .

(1)

 

 

mg

FA

FC

Спроецируем (1) на вертикальную ось Y (рис), получим:

 

 

 

mg

FA

FC

0

(2)

Масса шарика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

c

g V ,

 

где

V – объѐм шарика;

c

-

плотность стали; g 9,8м / с2

- ускорение

 

 

 

 

 

 

 

свободного падения.

 

 

 

 

 

 

Сила Архимеда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FA

ж

g V ,

 

где

ж - плотность жидкости;

V -

объем шарика (шарик полностью

погружен в жидкость).

Сила сопротивления согласно формуле Стокса

FC 6 r ,

где - динамическая вязкость, - радиус шарика, - скорость шарика. Уравнение (2) принимает вид:

c g V ж g V 6

r

0;

6 r gV( c ж ) .

Так как радиус шарика

r d / 2;

Объем шарика

V

4

r 3

1

d 3 ,

3

6

 

 

 

где d – диаметр шарика.

3 d

1

(

 

 

)gd 3

,

 

c

к

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

(

 

 

)gd 2 .

(3)

6

c

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из (3) получим выражение для коэффициента динамической вязкости жидкости:

 

 

 

 

 

 

1

(

 

 

 

 

)

gd 2

.

 

 

 

 

 

 

18

c

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка размерности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг

 

м м2

 

с

 

Н с

 

Па с .

 

 

 

м3

 

 

с2 м

 

 

м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляем данные:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(8,6 103

0,9 103 )

 

9,81 (110 3 )2

2,27(Па с) .

18

 

 

1,85 10 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: коэффициент динамической вязкости масла равен 2,27 Па с .

Примеры решения задач по теме «Механическое напряжение. Закон Гука»

Задача 1. Какой высоты можно построить кирпичную стену при

запасе прочности

k

6 , если

предел прочности кирпича

6

Н

,

мм2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плотность кирпича

 

2 103

кг

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м3

 

 

 

 

Дано: k 6 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

Н

6 104

Н

 

,

 

 

 

мм2

 

 

 

 

 

 

 

 

м2

 

 

 

 

2 103 мкг3 .

___________________

h ?

Решение.

Пределом прочности называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

FS ,