Logo
Logo

Ползущая полоска

1  ?? В каком направлении ($AB$ или $BA$) сместится полоска при большом количестве циклов?

при изменении длины полоски в результате нагрева или охлаждения различные участки полоски движутся относительно стола в противоположных направлениях. При этом существует точка, неподвижная относительно стола. Положение такой точки определяется из условия равенства действующей на полоску результирующей силы трения. Пусть расстояние этой точки от левого конца полоски при нагреве (т. $C_1$) равно $x_1$, при охлаждении (т. $C_2$) - $x_2$ (рис.2)

При нагреве
$${F_\text{тр1}}'={F_\text{тр2}}'
$$
$${\mu_1}m\frac{l-x_1}{l}g={\mu_2}m\frac{x_1}{l}g
$$
$$x_1=\frac{\mu_1}{\mu_1+\mu_2}l
$$
Левый край полоски (т.$A$) сместится в результате нагрева на $\Delta{T}$ влево на расстояние
$${x'}=x_1~{\alpha\Delta{T}}.
$$
При охлаждении аналогично
$${F_\text{тр1}}''={F_\text{тр2}}''
$$
$${\mu_1}m\frac{x_2}{l}g={\mu_2}m\frac{l-x_2}{l}g
$$
$$x_2=\frac{\mu_2}{\mu_1+\mu_2}l
$$
А левый край полоски смещается вправо на
$$x''={x_2}~\alpha\Delta{T}
$$
За один цикл нагрев-охлаждение левый край и вся полоска сместятся влево на расстояние
$$\Delta{x}=x'-x''=\frac{\mu_1-\mu_2}{\mu_1+\mu_2}~l~\alpha~\Delta{T}
$$
Учитывая, что $\mu_2<\mu_1$ получаем, что $\Delta{x}>0$, значит полоска смещается влево.

Ответ: Влево

2  ?? На какое расстояние переместится полоска за $N$ циклов нагревания-охлаждения, если разность максимальной и минимальной температур в цикле равна $\Delta{T}$? Ответ запишите в виде формулы.

Ответ: За $N$ циклов смещение полоски составит
$$\Delta{X}=N\Delta{x}=N~\frac{\mu_1-\mu_2}{\mu_1+\mu_2}~l~\alpha~\Delta{T}$$

3  ?? Вычислите, на какое расстояние переместится полоска длины $l=20~\text{см}$ за $N=100$ циклов нагрева-охлаждения при изменении ее температуры на $\Delta{T}=80~^{\circ}\mathrm{C}$. Значения коэффициентов трения $\mu_1=0.15$, $\mu_2=0.05$.

Ответ: $\Delta{X}=16~\text{см}$