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東北大学 工学研究科 電気・情報系 2014年3月実施 基礎科目 問題5 物理基礎1

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description​

日本語原題​

Fig. 5 (a)に示すように,床に固定された半径 bb(b>ab>a)の剛体球の頂点に半径 aa の均質な剛体球殻 SS が置かれている。球殻 SS の質量を mm とする。球殻 SS の厚みは無視できる。重力加速度を gg とする。以下の問に答えよ。

(1) 球と球殻 SS の接触がなめらかな場合を考える。球殻 SS の重心 CC に水平初速度 v0v_0 を与えた後,球殻 SS は CC の周りで回転することなくすべり落ちた。

  • (a) Fig. 5 (b)に示すように,球殻 SS が球面上の点 PP にあるとき OPOP と垂直軸のなす角度を θ\theta とする。球面上の点 PP での球殻 SS の重心 CC の速度を vv とする。vv と v0v_0 の関係を求めよ。
  • (b) 球殻 SS が球から受ける抗力を RR とし,RR を a,b,m,g,v0,θa,b,m,g,v_0,\theta を用いて表せ。
  • (c) 球殻 SS が球から離れる角度を θc\theta_c とする。cos⁡θc\cos\theta_c を求めよ。

(2) 球と球殻 SS の接触がなめらかでない場合を考える。ただし,球と球殻 SS の間に粘着力はない。

  • (a) 球殻 SS の中心軸の周りの慣性モーメントが 23ma2\frac23ma^2 で与えられることを示せ。
  • (b) 球殻 SS がすべることなくゆっくりと転がり落ちると考える。球殻 SS が球から離れる角度を θc\theta_c とする。cos⁡θc\cos\theta_c を求めよ。ただし,v0v_0 は 00 に等しいと考える(v0≅0v_0\cong0)。転がり摩擦によるエネルギー損失は無視する。

题目描述​

质量为 mm、半径为 aa 的均匀薄球壳,置于固定球体(半径 b>ab>a)的顶部,重力加速度为 gg。记固定球心为 OO、球壳中心为 CC、接触点为 PP,O,P,CO,P,C 共线,OC=a+bOC=a+b;θ\theta 为 OPOP 与竖直向上方向的夹角。

  1. 接触面光滑,给球壳质心水平初速度 v0v_0,此后球壳不自转而滑下。(a) 求速度 vv 与 v0,θv_0,\theta 的关系;(b) 求支持力 RR;(c) 求脱离时的 cos⁡θc\cos\theta_c。
  2. 接触面不光滑但无黏着力。(a) 证明球壳绕中心轴的转动惯量为 23ma2\frac23ma^2;(b) 球壳从顶部以可忽略初速度无滑动滚下,忽略滚动耗散,求脱离时的 cos⁡θc\cos\theta_c。

Kai​

令 ℓ=a+b\ell=a+b。

(1)​

(a) 机械能守恒给出

12mv2=12mv02+mgℓ(1−cos⁡θ),v2=v02+2gℓ(1−cos⁡θ).\frac12mv^2=\frac12mv_0^2+mg\ell(1-\cos\theta),\qquad \boxed{v^2=v_0^2+2g\ell(1-\cos\theta)}.

(b) 沿指向 OO 的方向列运动方程:

mgcos⁡θ−R=mv2ℓ,R=m(3gcos⁡θ−2g−v02ℓ).mg\cos\theta-R=\frac{mv^2}{\ell},\qquad \boxed{R=m\left(3g\cos\theta-2g-\frac{v_0^2}{\ell}\right)}.

(c) 令 R=0R=0,得

cos⁡θc=23+v023gℓ.\boxed{\cos\theta_c=\frac23+\frac{v_0^2}{3g\ell}}.

此式适用于 v02≤gℓv_0^2\le g\ell;若 v02>gℓv_0^2>g\ell,球壳在起始点即脱离。

(2)​

(a) 令面密度 σ=m/(4πa2)\sigma=m/(4\pi a^2),以极角 φ\varphi 分割球面:

I=∫0π(asin⁡φ)2σ 2πa2sin⁡φ dφ=23ma2.I=\int_0^\pi (a\sin\varphi)^2\sigma\,2\pi a^2\sin\varphi\,d\varphi =\boxed{\frac23ma^2}.

(b) 无滑动条件为 v=aωv=a\omega。于是

mgℓ(1−cos⁡θ)=12mv2+12Iω2=56mv2.mg\ell(1-\cos\theta)=\frac12mv^2+\frac12I\omega^2=\frac56mv^2.

脱离时 v2=gℓcos⁡θcv^2=g\ell\cos\theta_c,故

56cos⁡θc=1−cos⁡θc,cos⁡θc=611.\frac56\cos\theta_c=1-\cos\theta_c,\qquad\boxed{\cos\theta_c=\frac6{11}}.