Ящик массой 100 кг стоит на полу кабины лифта. Движущегося вертикально вверх с ускорением 5 м/с2. Какую минимальную горизонтальную силу нужно приложить к ящику для того, чтобы сдвинуть его с места, если коэффициент трения между дном ящика и полом лифта равен 0,1?
Решение.
Инерциальную систему
отсчета свяжем с поверхностью Земли. Начало координат выберем в точке,
совпадающей с положением центра масс ящика в момент начала движения, ось OX направим горизонтально в сторону
движения, ось OY
– вертикально
вверх.
вверх.
В качестве физической
системы рассмотрим ящик и будем считать его материальной точкой. Человек,
передвигающий ящик, пол лифта, воздух и гравитационное поле Земли по отношению
к выделенной физической системе является внешними объектами, поэтому физическая
система является незамкнутой. Пол лифта будем считать абсолютно твердым телом,
но силы упругости, возникающие при взаимодействии с ящиком. Будем учитывать.
Гравитационное поле Земли на протяжении движения лифта будем считать
однородным. Взаимодействием ящика с воздухом во время движения пренебрегаем.
Силы, действующие на
ящик, схематически изображены на рисунке, где F – сила, с которой человек толкает ящик. Динамическое уравнение
движения ящика имеет вид: ma
= Fтр + N
+ F , где a – полное ускорение ящика в инерциальной
системе отсчета, связанной с поверхностью Земли. Если спроецировать векторные
величины на оси OX
и OY, получим:
Сила трения Fтр = μN
. Кроме того, отметим, что если вектор ускорения лифта направлен вниз, то ay = -a0; если вверх, то ay = a0 , где a0 = ускорение лифта в системе отсчета «поверхность
Земли», т.е. ay
= ±a0 . Таким образом,
Решение последней
системы уравнений относительно F
дает: F = μm(g ± a0) + max
. Ящик может перемещаться относительно пола лифта либо равномерно, либо равноускорено,
т.е. ax ≥ 0, поэтому F
≥ μm(g ± a0) , откуда Fmin
= μm(g ± a0) .
После подстановки
числовых значений Fmin
= 50 Н (при движении лифта вниз), Fmin = 0.15 кН (при движении лифта вверх).
Правильность решения
можно проверить, рассмотрев случай, когда ускорение лифта равно g и направлено вертикально вниз. В этом
случае ящик находится в состоянии невесомости, поэтому незначительной силы
достаточно, чтобы сдвинуть его с места. Из формулы следует, что в этом случае Fmin = μm(g - g) = 0 , что соответствует выше
сказанному.
Ответ: Fmin = 50 Н при движении вниз и 0,15 кН при
движении вверх.
Источник: Физика. Полный курс подготовки к ЦТ. Под общей редакцией проф. В.А. Яковенко.
1.3.13
0 комментариев :
Отправить комментарий