Logo
Logo

Раскручивающаяся лента 2.0

A1  ?? Считая \( \delta \ll R \ll L \), найдите длину \( x_0 \) размотавшейся части фольги, при которой на платформу будет действовать сила \( T_0 \), равная силе тяжести рулона \( mg \). Определите также ускорение \( a \) и скорость \( v \) падения центра масс рулона в этот момент времени.

Пусть ось $x$ направлена вниз, а начальное положение центра масс рулона соответствует началу координат. Если скорость центра масс рулона в некоторый момент времени равна $v$, то его кинетическая энергия составляет

\begin{equation*}
E_{k}=\frac{m}{L}(L-x) v^{2} . \tag{1}
\end{equation*}

С другой стороны, потенциальная энергия рулона относительно начального положения равна

\begin{equation*}
E_{p}=-\frac{m}{L} g \frac{x^{2}}{2}-\frac{m}{L} g(L-x) x . \tag{2}
\end{equation*}

В начальный момент времени полная энергия равна нулю, поэтому по закону сохранения

\begin{equation*}
E_{k}+E_{p}=0, \tag{3}
\end{equation*}

откуда получаем зависимость скорости центра масс рулона от координаты

\begin{equation*}
v^{2}(x)=g\left[x+\frac{x^{2}}{2(L-x)}\right] . \tag{4}
\end{equation*}

Ускорение рулона определяется выражением

\begin{equation*}
a(x)=\frac{d v}{d t}=v \frac{d v}{d x}, \tag{5}
\end{equation*}

которое после подстановки (4) дает следующую зависимость

\begin{equation*}
a(x)=\frac{g}{4}\left[1+\frac{L^{2}}{(L-x)^{2}}\right] . \tag{6}
\end{equation*}

Полный импульс рулона направлен вдоль оси $x$ и равен

\begin{equation*}
p=\frac{m}{L}(L-x) v, \tag{7}
\end{equation*}

а значит изменение импульса со временем принимает вид

\begin{equation*}
\frac{d p}{d t}=-\frac{m}{L} v^{2}+\frac{m}{L}(L-x) a . \tag{8}
\end{equation*}

По условию задачи сила, действующая на платформу со стороны рулона, равна силе тяжести, а значит на сам рулон полная внешняя сила равна нулю, откуда получаем

\begin{equation*}
\frac{d p}{d t}=0 . \tag{9}
\end{equation*}

Решая совместно (4), (6), (8) и (9), получаем квадратное уравнение

\begin{equation*}
x+\frac{x^{2}}{2(L-x)}=\frac{1}{2}\left(L+\frac{x^{2}}{2(L-x)}\right), \tag{10}
\end{equation*}

положительный корень которого равен

Ответ: \begin{equation*}
x_{0}=\frac{3-\sqrt{3}}{3} L=4.23 \text { м. } \tag{11}
\end{equation*}

После подстановки в (4) и (6), соответственно находим

Ответ: \begin{align*}
& v\left(x_{0}\right)=\frac{\sqrt{g L}}{\sqrt[4]{3}}=7.52 \mathrm{ m} / \mathrm{c}, \tag{12}\\
& a\left(x_{0}\right)=g=9.80 \mathrm{ m} / \mathrm{c}^{2} . \tag{13}
\end{align*}