Zadanie 3.6.2.5

 Zadanie 3.6.2.5

Naczynie z cieczą na równi
Po równi pochyłej o kącie nachylenia \(\alpha\) zsuwa się naczynie z cieczą. Współczynnik tarcia wynosi \(\mu < \operatorname{tg}{\alpha}\). Wyznacz nachylenie powierzchni cieczy w naczyniu względem równi.

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- kąt nachylenia równi \(\alpha\),
- współczynnik tarcia \(\mu < \operatorname{tg}{\alpha}\),
- masa naczynia z wodą \(M\).

Szukane:
- kąt nachylenia powierzchni cieczy w naczyniu względem równi \(\beta\).

Odpowiedź

Kąt nachylenia powierzchni cieczy w naczyniu względem równi wynosi \(\beta=\operatorname{arctg}{\mu}\).

Polecenie

Pierwszy etap rozwiązania polega na wyznaczenia przyspieszenia naczynia z cieczą. Zapisz równanie, opisujące działanie sił równoległych do powierzchni równi. Wybierz jedną prawidłową zależność, spośród dwóch przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 2

\(Ma=Mg\sin\alpha-\mu Mg\cos\alpha\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 2

\(Ma=Mg\sin\alpha+\mu Mg\cos\alpha\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

W pierwszym etapie wyznaczmy przyspieszenie naczynia z cieczą. Rozłóżmy ciężar \(F_c\) (ciężar naczynia z cieczą równy \(Mg\) ) na dwie składowe - siłę \(F_s\), czyli siłę ściągającą równoległą do powierzchni równi i siłę \(F_n\) - siłę nacisku prostopadłą do powierzchni równi. Równolegle do równi działa jeszcze siła tarcia \(F_t=\mu F_n\), skierowana przeciwnie do kierunku ruchu.

Rysunek


Z rysunku widać, że
\(F_s=Mg \sin\alpha\)  oraz \(F_n=Mg \cos\alpha\)

Wypadkowa siły \(F_s\) i siły \(F_t\) nadaje naczyniu z cieczą o masie \(M\) przyspieszenie \(a\). Mamy więc równanie:

\(Ma=Mg\sin\alpha-\mu Mg\cos\alpha\)

\(a=g\sin\alpha-\mu g\cos\alpha\)

Polecenie

Aby wyznaczyć nachylenie powierzchni cieczy w naczyniu względem równi, można związać układ odniesienia z poruszającym się naczyniem. Zapisz równanie opisujące działanie sił na cząstkę cieczy o masie \(m\). Wybierz jedną prawidłową zależność, spośród dwóch przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 2

\(ma\cos\beta=mg\cos(90^{\circ}-\alpha+\beta)\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 1 z 2

\(ma\cos\beta=mg\cos\alpha\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Zwiążmy układ odniesienia z poruszającym się naczyniem. Na każdą cząsteczkę cieczy o masie \(m\), w tym układzie, działa siła ciężkości \(P=mg\) i siła bezwładności \(\vec{F}_b=-m\,\vec{a}\), gdzie znak minus oznacza, że siła ta jest przeciwnie skierowana do wektora \(\vec{a}\).
Na rysunku siły są reprezentowane przez ich wartości bezwzględne.

Rysunek


Powierzchnia cieczy ustawia się w takim położeniu, aby rzuty dwóch sił \(P\) i \(F_b\) na kierunek styczny do jej powierzchni, zrównoważyły się (czyli \(F_1=F_2\)). Jak widać z rysunku rzut siły \(F_b\) na powierzchnię cieczy wynosi:

\(F_2=ma \cos\beta\)
Rzut siły ciężkości \(P\) wynosi:

\(F_1=mg\cos\,(90^{\circ}-\alpha+\beta) \)

Po przyrównaniu wartości obu rzutów otrzymujemy:

\(mg\cos\,(90^{\circ}-\alpha+\beta)=ma \cos\beta\)

\(g\cos\,(90^{\circ}-\alpha+\beta)=a \cos\beta\)

Polecenie

Wyznacz wartość kąta nachylenia powierzchni cieczy w naczyniu względem równi. Wybierz jedną prawidłową wartość, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(\beta=\arccos\mu\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\beta=\mu\sin\alpha\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\beta=\operatorname{arctg}{\mu}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\beta=\mu\cos\alpha\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Z dwóch części rozważań otrzymaliśmy zależności:

\(a=g\sin\alpha-\mu g\cos\alpha\)

\(g\cos\,(90^{\circ}-\alpha+\beta)=a \cos\beta\)

Zajmijmy się równaniem drugim. Funkcję \(\cos\,(90^{\circ}-\alpha+\beta)\) można zapisać następująco:

\(\cos\,(90^{\circ}-(\alpha-\beta))=\cos\,(90^{\circ}-\gamma)\)

Stosując wzór  \(\cos(90^{\circ}-\gamma)=\sin\gamma\)  mamy
\(\cos\,(90^{\circ}-(\alpha-\beta))=\sin(\alpha-\beta)\)
Wiemy, że
\(\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\,\cos\beta-\cos\alpha\,\sin\beta\)

Rozpatrywane równanie przybiera postać:

\(g(\sin\alpha\,\cos\beta-\cos\alpha\,\sin\beta)=a \cos\beta\)

Teraz, to tego równania, podstawiamy wartość przyspieszenia, obliczoną w pierwszej części rozwiązania

\(g(\sin\alpha\,\cos\beta-\cos\alpha\,\sin\beta)=(g\sin\alpha-\mu g\cos\alpha) \cos\beta\)

Po  \[\sin\alpha\,\cos\beta-\cos\alpha\,\sin\beta=\sin\alpha\cos\beta-\mu \cos\alpha\cos\beta\] \[-\cos\alpha\,\sin\beta=-\mu \cos\alpha\cos\beta\] \[\sin\beta=\mu \cos\beta\] \[\displaystyle{\mu=\frac{\sin\beta}{\cos\beta} }\] \[\displaystyle{\mu=\operatorname{tg}{\beta} }\]  otrzymujemy:

\(\beta=\operatorname{arctg}{\mu}\)

Odpowiedź

Kąt nachylenia powierzchni cieczy w naczyniu względem równi wynosi \(\beta=\operatorname{arctg}{\mu}\).