Каково сжатие пружины игрушечного пистолета, если шар массой 0,02 кг, который был выпущен из него, достигает вертикальной высоты 57,6 см? Учитывайте, что жесткость пружины равна...
Сердце_Огня
Хорошо, давайте решим эту задачу. Для начала, нам нужно использовать закон сохранения механической энергии, который гласит, что сумма потенциальной и кинетической энергии остается постоянной.
Начнем с выражения потенциальной энергии, которую имеет шар на вертикальной высоте \(h\):
\[E_{\text{{пот}}} = m \cdot g \cdot h\]
где
\(m\) - масса шара (0,02 кг),
\(g\) - ускорение свободного падения (9,8 м/с²),
\(h\) - вертикальная высота (57,6 см или 0,576 м).
Теперь давайте найдем кинетическую энергию, которую имеет шар, когда он находится в нижней точке своей траектории (т.е. в самом низу):
\[E_{\text{{кин}}} = \frac{1}{2} m \cdot v^2\]
где
\(v\) - скорость шара в нижней точке.
Поскольку шар находится в нижней точке всего лишь мгновение, его вертикальная скорость будет равна нулю (так как он только начинает двигаться вверх после растяжения пружины). Поэтому кинетическая энергия также будет равна нулю:
\[E_{\text{{кин}}} = 0\]
Теперь мы можем записать уравнение сохранения энергии:
\[E_{\text{{пот}}} = E_{\text{{кин}}}\]
\[m \cdot g \cdot h = 0\]
Давайте найдем сжатие пружины, которое нам нужно вычислить. Для этого перепишем уравнение сжатия пружины:
\[F_{\text{{упругая}}} = k \cdot x\]
где
\(F_{\text{{упругая}}}\) - сила упругости пружины,
\(k\) - жесткость пружины (дана в условии),
\(x\) - сжатие пружины (что требуется найти).
Теперь давайте выразим силу упругости пружины через потенциальную энергию:
\[F_{\text{{упругая}}} = -\Delta E_{\text{{пот}}} = -m \cdot g \cdot h\]
(отрицательный знак появляется, так как пружина восстанавливает энергию, и ее сила направлена в противоположную сторону смещения).
Теперь мы можем приравнять это выражение к уравнению сжатия пружины:
\[-m \cdot g \cdot h = k \cdot x\]
Делим обе части уравнения на \(k\):
\[-\frac{{m \cdot g \cdot h}}{{k}} = x\]
Теперь заменяем известные значения:
\[-\frac{{0,02 \, \text{{кг}} \cdot 9,8 \, \text{{м/с}}^2 \cdot 0,576 \, \text{{м}}}}{{k}} = x\]
Осталось только заменить значение жесткости пружины, которое должно быть дано в условии задачи.
Начнем с выражения потенциальной энергии, которую имеет шар на вертикальной высоте \(h\):
\[E_{\text{{пот}}} = m \cdot g \cdot h\]
где
\(m\) - масса шара (0,02 кг),
\(g\) - ускорение свободного падения (9,8 м/с²),
\(h\) - вертикальная высота (57,6 см или 0,576 м).
Теперь давайте найдем кинетическую энергию, которую имеет шар, когда он находится в нижней точке своей траектории (т.е. в самом низу):
\[E_{\text{{кин}}} = \frac{1}{2} m \cdot v^2\]
где
\(v\) - скорость шара в нижней точке.
Поскольку шар находится в нижней точке всего лишь мгновение, его вертикальная скорость будет равна нулю (так как он только начинает двигаться вверх после растяжения пружины). Поэтому кинетическая энергия также будет равна нулю:
\[E_{\text{{кин}}} = 0\]
Теперь мы можем записать уравнение сохранения энергии:
\[E_{\text{{пот}}} = E_{\text{{кин}}}\]
\[m \cdot g \cdot h = 0\]
Давайте найдем сжатие пружины, которое нам нужно вычислить. Для этого перепишем уравнение сжатия пружины:
\[F_{\text{{упругая}}} = k \cdot x\]
где
\(F_{\text{{упругая}}}\) - сила упругости пружины,
\(k\) - жесткость пружины (дана в условии),
\(x\) - сжатие пружины (что требуется найти).
Теперь давайте выразим силу упругости пружины через потенциальную энергию:
\[F_{\text{{упругая}}} = -\Delta E_{\text{{пот}}} = -m \cdot g \cdot h\]
(отрицательный знак появляется, так как пружина восстанавливает энергию, и ее сила направлена в противоположную сторону смещения).
Теперь мы можем приравнять это выражение к уравнению сжатия пружины:
\[-m \cdot g \cdot h = k \cdot x\]
Делим обе части уравнения на \(k\):
\[-\frac{{m \cdot g \cdot h}}{{k}} = x\]
Теперь заменяем известные значения:
\[-\frac{{0,02 \, \text{{кг}} \cdot 9,8 \, \text{{м/с}}^2 \cdot 0,576 \, \text{{м}}}}{{k}} = x\]
Осталось только заменить значение жесткости пружины, которое должно быть дано в условии задачи.
Знаешь ответ?