На гладком горизонтальном столе лежит доска массой $M=1$ кг и длиной $L=50$ см. На левом краю доски находится маленький брусок массой $m=200$ г. Брусок и доска связаны невесомой нерастяжимой нитью, перекинутой через невесомый гладкий блок, закреплённый на стене (отрезки нити, не лежащие на блоке, горизонтальны и параллельны). Коэффициент трения между бруском и доской $\mu=0{,}3$. Брусок начинают тянуть вправо постоянной силой $\vec F$, параллельной горизонтальным отрезкам нити. Через время $t=2$ с после начала движения брусок соскальзывает с доски. Определите модуль силы $\vec F$. Размерами бруска пренебречь. Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на доску и брусок.
Обоснуйте применимость законов, используемых для решения задачи.
Возможное решение.
Обоснование
1. Задачу будем решать в инерциальной системе отсчёта, связанной с поверхностью стола.
2. Будем использовать второй закон Ньютона для материальных точек, так как брусок и доска движутся поступательно. Трением о воздух пренебрежём. Силы, действующие на тела, постоянны, движение бруска и доски равноускоренное.
3. Так как нить нерастяжима, ускорения бруска и доски направлены горизонтально, равны по модулю и противоположны по направлению:
$|\vec a_1|=|\vec a_2|=a$, $\vec a_1=-\vec a_2$.$\qquad(1)$
4. Так как блок и нити невесомы, трения в блоке нет, то силы натяжения нити, действующие на доску и брусок, одинаковы:
$\vec T_1=\vec T_2=\vec T$.$\qquad(2)$
5. Силы трения, действующие на брусок и доску, равны друг другу по модулю и противоположны по направлению согласно третьему закону Ньютона:
$F_{\mathrm{тр1}}=F_{\mathrm{тр2}}=F_{\mathrm{тр}}$, $\vec F_{\mathrm{тр1}}=-\vec F_{\mathrm{тр2}}$.$\qquad(3)$
Решение
1. На рисунке показаны силы, действующие на брусок, и силы, действующие на доску.
Запишем второй закон Ньютона в проекциях на оси $Ox$ и $Oy$ выбранной системы координат. С учётом (1)–(3) получим:
$ma=F-F_{\mathrm{тр}}-T$,
$-Ma=F_{\mathrm{тр}}-T$,
$N=mg$.
Вычтя второе уравнение из первого, найдём модуль ускорения каждого тела:
$a=\dfrac{F-2F_{\mathrm{тр}}}{M+m}$.
Учитывая, что $F_{\mathrm{тр}}=\mu N$, получим: $a=\dfrac{F-2\mu mg}{M+m}$.
2. Брусок соскользнёт с доски, когда доедет до её правого края, то есть когда сумма расстояний, пройденных доской и бруском относительно стола, будет равна $L$:
$\dfrac{at^2}{2}+\dfrac{at^2}{2}=L$.
3. Окончательно получим:
$F=\dfrac{L(M+m)}{t^2}+2\mu mg=\dfrac{0{,}5\cdot(1+0{,}2)}{2^2}+2\cdot0{,}3\cdot0{,}2\cdot10=1{,}35$ Н.
Ответ: $F=1{,}35$ Н.
