Задача: Два одинаковых бруска массами по 200 г каждый соединены упругой вертикальной пружиной с жесткостью 300 Н/м (рис. 38). Нажатием на верхний брусок пружину сжали так, что ее деформация стала 5 см. Какова будет скорость центра масс этой системы тел в момент отрыва нижнего бруска от стола? Сопротивление не учитывать.

Пояснение: Обозначим m массу каждого бруска, х — деформацию пружины при сжатии, g — ускорение свободного падения, k — жесткость пружины, vc — скорость центра масс системы тел, Ер1 — потенциальную энергию сжатой пружины, Ер2 — потенциальную энергию центра масс относительно первоначального уровня, х1 — деформацию растянутой пружины, Ер3 — потенциальную энергию растянутой пружины, Ер4 — потенциальную энергию центра масс относительно первоначального положения при растянутой пружине, Еk — кинетическую энергию верхнего бруска, v — его скорость.

kas65-1

В нашем случае, поскольку система бруски — пружина симметрична, ее центр масс С располагается в геометрическом центре системы, т. е. посередине пружины.
Теперь давайте выполним рисунок. Сначала изобразим пружину недеформированной (рис. 38, а). Когда ее сжали, центр масс опустился на расстояние х относительно первоначального положения (рис. 38, b). Значит, пружина приобрела потенциальную энергию Ер1, которую можно определить по формуле

kas65-2

 

kas65-3

Кроме того, поскольку центр тяжести опустился на расстояние х, то относительно прежнего уровня центр масс приобрел отрицательную потенциальную энергию. Напомним, что потенциальная энергия может быть и положительной, и отрицательной, поскольку она относительна. Относительно стола потенциальная энергия центра масс положительна, поскольку он выше стола, а относительно прежнего положения — отрицательна, поскольку теперь центр масс ниже прежнего уровня. Эту потенциальную энергию Ер2 можно определить по формуле

kas65-4

Попробуем решить эту задачу, применив закон сохранения механической энергии. Этот замечательный закон выручит вас при решении почти любых задач динамики — особенно когда не требуется учитывать все силы, действующие в системе. Согласно этому закону суммарная механическая энергия брусков со сжатой пружиной равна их суммарной механической энергии в момент, когда нижний брусок еще лежит на столе, но пружина уже растянулась, ее деформация стала х1, центр тяжести поднялся на высоту х1 над первона- чальным положением и верхний брусок приобрел скорость vс (рис. 37, b). При этом потенциальная энергия пружины

kas65-5

а потенциальная энергия центра масс Ер4 относительно первоначального положения стала положительной и равной:

kas65-6

Кроме того, верхний брусок приобрел скорость v и, значит, кинетическую энергию Еk, которая определяется по формуле

kas65-7

Теперь давайте запишем закон сохранения механической энергии, а затем подумаем, какие величины нам еще надо определить, чтобы найти искомую жесткость:

kas65-8

Здесь нам не известны деформация х1 и скорость верхнего бруска. По закону Гука произведение жесткости пружины на ее деформацию равно деформирующей ее силе, которая в момент отрыва нижнего бруска от стола равна весу этого бруска Р = mg, поэтому мы можем записать:

kas65-9

Здесь уже все величины в правой части нам даны. Теперь подумаем, как выразить неизвестную скорость верхнего бруска через высоту поднятия центра тяжести, которая нам известна. Попробуем связать эту скорость со скоростью центра масс vс в этот момент. Будем рассуждать так. Нижний брусок еще покоится, его скорость равна нулю, а верхний уже получил скорость v. Значит, по мере подъема от витка к витку их скорость линейно нарастает, поэтому скорость центра масс, лежащего посередине пружины, будет равна половине скорости верхнего бруска:

kas65-10

Теперь давайте подставим правую часть равенства (2) в формулу (1) и из полученного выражения найдем скорость верхнего бруска v, а затем — и скорость центра масс vс :

kas65-11

Ответ: vс = 2,55 м/с.


Комментарии