Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.- В данной задаче рассматривается простая
модель воздействия ударной волны на тела. В
данной модели ударная волна рассматривается
как скачок давления, распространяющийся в
пространстве. Зависимость давления от
координаты вдоль направления распространения ударной волны
показана на рисунке. Фронт волны перпендикулярен поверхности
земли.
Введем следующие характеристики ударной волны:
- превышение давления над атмосферным
; - скорость распространения волны
; - ширина области повышенного давления
.
Будем считать, что движением воздуха внутри области повышенного
давления можно пренебречь. Также можно пренебречь силами
сопротивления воздуха, действующими на движущиеся тела.
5.1 Ледяная глыба неправильной формы (размеры которой порядка
скорость, которую приобретет ледяная глыба, в результате
воздействия ударной волны.
Нарисуй глыбу и проведи поперечные сечения перпендикулярно направлению волны. Подумай, как долго давление действует на отдельный тонкий срез глыбы при прохождении переднего фронта.
Воспользуйся второго законом Ньютона в импульсной форме: изменение импульса тела равно сумме (или интегралу) импульсов действующих сил за время воздействия; силу давления на срез запиши как давление, умноженное на его площадь.
- Разбей тело на тонкие срезы: для среза длиной Δx время действия давления равно Δt=Δx/c, импульс силы равен ΔP·S(x)·Δt.
- Просуммируй (интегрируй) импульсы по всем срезам, замени сумму на объем тела и вырази суммарный импульс через ΔP, c и объем (или массу и плотность) тела.
- Запиши уравнение m·Δv = (суммарный импульс) и выразите Δv из полученной зависимости.
5.1 Для определения скорости льдины после прохождения переднего фронта найдем, воспользовавшись 2 законом Ньютона в известной формулировке: изменение импульса тела равно импульсу силы -
В этой записи учтено, что действующая сила переменна, кроме того мы пренебрегаем смещением льдины за время прохождения
Стоящее под знаком суммы выражение является объемом тела, поэтому изменение скорости тела при прохождении фронта волны описывается формулой
Здесь мы пренебрегаем импульсом силы трения из-за малости последней, по сравнению с силами давления. Так как до прихода волны льдина покоилась, то после прохождения переднего фронта она будет иметь скорость
5.2 Оцените максимальное смещение льдины, описанной в п.5.1, в
направлении распространения ударной волны.
Подумай, как действует сухое трение на глыбу в момент её скольжения и каково направление и знак возникающего ускорения.
Используй уравнения поступательного движения при постоянном ускорении (кинематика) и оценку времени пребывания тела в области повышенного давления
- Определи время прохождения волны через глыбу
. - Запиши скорость глыбы к моменту прихода заднего фронта:
(используй постоянное тормозящее ускорение ). - Найди пройденный путь до прихода заднего фронта как
. - Вырази максимальное смещение
из полученной системы.
5.2 При скольжении по льду, глыба льда будет двигаться с ускорением, возникающем из-за действия силы трения
заднего фронта льдина будет двигаться и доэтого момента пройдет путь
Это и будет максимальным смещением льдины.
5.3 Укажите конечное положение блока (его смещение от начального
положения) после прохождения волны.
Учти, что задний фронт даёт импульс давления в противоположную сторону; подумай, как это изменит скорость глыбы и её дальнейший путь до остановки.
Применяй снова импульсный подход к заднему фронту (как в п.5.1) и затем кинематику при постоянном торможении для оценки пробега до остановки.
- Запиши изменение скорости при прохождении заднего фронта: к скорости
прибавится (с обратным знаком) то же по модулю значение, которое дала передняя грань, получи выражение для . - Оцени путь после заднего фронта до остановки по формуле для торможения при ускорении
: . - Найди итоговое смещение как разность пройденных путей до и после заднего фронта:
. - Вырази конечное смещение блока из полученной системы.
5.3 После прохождения заднего фронта волны льдина получит импульс в противоположном направлении, при этом ее скорость изменится на величину, определяемую формулой (2). Следовательно ее скорость станет равной
При такой начальной скорости льдина пройдет до остановки путь
Таким образом, льдина окажется смещенной на величину
5.4 Ударная налетает на свободно стоящий
бетонный блок (стену), толщина которого
поверхности. При какой высоте блока
он будет опрокинут передним фронтом
волны (при отсутствии заднего фронта)?
Скольжение блока по поверхности
отсутствует. Плотность бетона
Белорусская
республиканская физическая олимпиада
Мозырь, 2002 год
Перечисли все силы, которые действует на блок во время прохождения переднего фронта, и укажи, где приложены их результирующие линии действия относительно нижней кромки блока. Подумай, какой характер движения может возникнуть — поступательный или поворот вокруг кромки.
Воспользуйся теоремой об изменении момента импульса (импульса момента сил): изменение углового момента тела относительно выбранной точки равно сумме моментов сил, интегрированных по времени (импульс моментов) за действие фронта волны. Запиши эту связь в общем виде
- Нарисуй сечение блока и обозначь результирующую силу давления от фронта и её точку приложения; вычисли её импульс за время прохождения фронта (время фронта = толщина блока, делённая на скорость волны).
- Вычисли импульс момента этой силы относительно нижней кромки: произведение импульса силы на плечо (расстояние от кромки до точки приложения).
- Запиши момент инерции блока относительно оси, проходящей по нижней кромке, и свяжи полученный импульс момента с изменением угловой скорости
через теорему из H2. - Сформулируй условие опрокидывания (чтобы блок повернулся через верхнее положение) и из полученной системы вырази искомую высоту
.
5.4 Падение стены является вращением вокруг оси
Сила, давления ударной волны на блок, равная
Прежде всего, момент силы давления на блок
Далее необходимо учесть, что сила давления действует в течении очень малого промежутка времени, поэтому необходимо рассмотреть и другие необходимые условия опрокидывания. Так энергии полученной блок должно хватить, чтобы «поставить блок на ребро», то есть поднять центр тяжести блока над ось вращения.
Для строго расчета необходимо использовать уравнения динамики вращательного движения. Для проведения оценок будем считать, что вся масса блока сосредоточена в его центре масс.
Скорость центра масс можно оценить из уравнения 2 закона Ньютона (полагая, что за время
Кинетическая энергия, приобретенная блоком, должна быть равна изменению потенциальной энергии при подъеме блока «на ребро». При этом изменение высоты центра масс рассчитывается по формуле
здесь использованно предположение о малости ширины блока, по сравнению с его высотой.
Итак, энергетическое условие опрокидывания имеет вид
Полученное значение оправдывает сделанное при выводе предположение о малости ширины блока, по сравнению с его высотой.
