Определить кинетическую энергию поступательного и вращательного движения шара

Предмет: Физика
Раздел предмета: Механика — Динамика вращательного и поступательного движения тел
Условие:

Полная кинетическая энергия катящегося шара равна 24 Дж. Необходимо определить кинетическую энергию поступательного и вращательного движения шара.

Решение:

Когда шар катится без скольжения, его полная кинетическая энергия — это сумма кинетических энергий его поступательного и вращательного движений.

Полную кинетическую энергию \( E_{\text{total}} \) можно записать следующим образом:

\[ E_{\text{total}} = E_{\text{пост}} + E_{\text{вращ}}, \]

где:

  • \( E_{\text{пост}} \) — кинетическая энергия поступательного движения,
  • \( E_{\text{вращ}} \) — кинетическая энергия вращательного движения.
Формулы для кинетической энергии:
  1. Кинетическая энергия поступательного движения: \[ E_{\text{пост}} = \frac{1}{2} m v^2, \] где \( m \) — масса шара, \( v \) — его поступательная скорость.
  2. Кинетическая энергия вращательного движения: \[ E_{\text{вращ}} = \frac{1}{2} I \omega^2, \] где \( I \) — момент инерции шара, \( \omega \) — угловая скорость вращения.
Момент инерции и угловая скорость:

Для шарообразного тела, катящегося без скольжения, существует связь между поступательной скоростью и угловой скоростью:

\[ v = \omega R, \] где \( R \) — радиус шара.

Момент инерции для однородного сплошного шара относительно оси, проходящей через центр, равен:

\[ I = \frac{2}{5} m R^2. \]

Суммарная кинетическая энергия:

В случае, когда шар катится без скольжения, полную кинетическую энергию можно выразить через поступательную скорость \( v \). Так как \( v = \omega R \), то кинетическая энергия поступательного и вращательного движений связаны.

  1. Кинетическая энергия вращения через \( v \) и \( R \): \[ E_{\text{вращ}} = \frac{1}{2} I \omega^2 = \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{5} m R^2 \cdot \frac{v^2}{R^2} = \frac{1}{5} m v^2. \]
  2. Кинетическая энергия поступательного движения через \( v \): \[ E_{\text{пост}} = \frac{1}{2} m v^2. \]

Теперь выразим полную кинетическую энергию:

\[ E_{\text{total}} = E_{\text{пост}} + E_{\text{вращ}} = \frac{1}{2} m v^2 + \frac{1}{5} m v^2 = \frac{7}{10} m v^2. \]

Зная, что полная кинетическая энергия \( E_{\text{total}} \) равна 24 Дж, можем записать следующее уравнение:

\[ \frac{7}{10} m v^2 = 24 \text{ Дж}. \]

Распределение кинетической энергии:
  • Доля поступательной энергии по сравнению с полной энергией: \[ \frac{E_{\text{пост}}}{E_{\text{total}}} = \frac{\left(\frac{1}{2} m v^2\right)}{\left(\frac{7}{10} m v^2\right)} = \frac{5}{7}. \]
  • Доля вращательной энергии: \[ \frac{E_{\text{вращ}}}{E_{\text{total}}} = \frac{\left(\frac{1}{5} m v^2\right)}{\left(\frac{7}{10} m v^2\right)} = \frac{2}{7}. \]
Фактические значения энергий:
  1. Кинетическая энергия поступательного движения: \[ E_{\text{пост}} = \frac{5}{7} \cdot 24 = 17.14 \text{ Дж}. \]
  2. Кинетическая энергия вращательного движения: \[ E_{\text{вращ}} = \frac{2}{7} \cdot 24 = 6.86 \text{ Дж}. \]
Ответ:
  • Кинетическая энергия поступательного движения: \( E_{\text{пост}} = 17.14 \text{ Дж} \)
  • Кинетическая энергия вращательного движения: \( E_{\text{вращ}} = 6.86 \text{ Дж} \)

Теперь определим, как разделяется род кинетической энергии между поступательным и вращательным движениями:

Не нашли нужного вам решения? Оставьте заявку и наши авторы быстро и качественно помогут вам с решением.
Оставить заявку
Работа вам нужна срочно. Не волнуйтесь, уложимся!

Заполните, пожалуйста, данные для автора:

  • 22423 авторов готовы помочь тебе.
  • 2402 онлайн