Естественные науки

Задача с вращающимся диском

Диск радиусом R вращается против часовой стрелки вокруг своей вертикальной оси с постоянной угловой скоростью ω. В нём выполнена радиальная канавка от центра до края, насквозь. В центр диска положили шарик массой m и дали ему незначительный толчок вдоль канавки так, что тот начал двигаться почти с нулевой скоростью. Сопротивление движению шарика отсутствует. Определить:
1) Cкорость v шарика, с которой он покинет диск;
2) Время Т движения шарика по канавке от начала толчка до покидания диска;
3) Боковую силу F, которая будет действовать на шарик в момент вылета из канавки.
Задачу желательно решить двумя способами: без использования понятия "кориолисово ускорение (сила)" и с использованием его. Результаты, разумеется, должны совпадать.
В полярной СК отличий между ЛСО и СО диска практически нет.
2-й закон Ньютона в ЛСО:
m (r'' - r [ф']^2) = 0
m (2 r' ф' + r ф'') = N
(при условии ф = w t)
2-й закон Ньютона в СО диска:
m (r'' - r [w + ф']^2) = 0
m (2 r' (w + ф') + r ф'') = N
или:
m (r'' - r ф^2) = m r w^2 + 2 m r w ф'
m (2 r' ф' + r ф'') = N - 2 m w r'
(при условии ф = 0)
Последние слагаемые - это как раз и будут компоненты силы Кариолиса.
m - масса шарика
r - расстояние от шарика до центра диска
ф - угол в полярных координатах
w - частота вращения диска
R - радиус диска
N - горизонтальная часть силы, с которой диск действует на шарик
Можно решить задачу с конечной начальной скоростью, а потом устремить ее к нулю тогда:
1) Скорость вылета (в ЛСО):
v = sqrt(2) w R
2) Время движения формально стремится в бесконечность.
3) Модуль горизонтальной силы воздействия шарика на диск в момент вылета:
F= 2 m w^2 R
521278016 Ларина
521278016 Ларина
90 600
Лучший ответ
Руслан Новоселов А что у вас с размерностью. коргсти

Для радиальной скорости вылета (по ЗСЭ, ЦБ-поле потенциально) имеем v^2/2 = (wR)^2/2
Наташа Чумакова Пр. см. дополн.
Наташа Чумакова Боковая сила "без Кориолиса" у меня упорно получается в 2 раза меньше, что, разумеется, ошибочно.
Наташа Чумакова Хотя вы, как понимаю, эту силу нашли верно без Кориолиса. Изучу когда-нибудь.
Давайте сразу вторым вопросом займемся.
Пусть шарик (чисто для простоты) не катится, а скользит без трения.

r'' - w^2*r = 0, r(0) = 0, r'(0) = eps

Решение сей задачи Коши, понятное дело, однородно по eps, поэтому не знаю, как уж вы время будете находить. Понятно, что при логарифмической асимптотике времени покидания диска у вас всякий квантовый выпердыш (флуктуация какая-нибудь) заставит шарик покинуть диск за адекватное время, но-таки вы его, не зная eps, не найдете.

Тут же асимптотика такая же, как у математического маятника (на невесомом стержне), повернутого вверх тормашками - при движении из положения неустойчивого равновесия.. Есть такая модная тема про него - движение по сепаратрисе.
Андрей Бородин
Андрей Бородин
34 449
Рахим Тинасилов Для простоты можно считать что шарик изначально находится не в центре диска, а, например, на расстоянии 0,001R.
Наташа Чумакова Пр. см. дополн.
Наташа Чумакова Блин, и круглая шайба будет кататься по правому борту канавки. Пусть будет призматическая шайба.