Физика · 2025/26 · Отборочный этап

Диск на двух нитях и внешний угол

Условие

На тонком диске в точках AA и BB закреплены концы двух невесомых нерастяжимых нитей (см. рис.). Другие концы нитей прикреплены к горизонтальной поверхности. Вначале диск удерживают, а затем отпускают. В результате диск поворачивается в вертикальной плоскости. Нити в процессе поворота диска натянуты и лежат в одной плоскости с диском. В момент, когда нити образуют угол α=80∘\alpha=80^\circ, скорость точки AA диска VA=2V_A=2 м/с. Чему в этот же момент времени равна скорость центра OO диска? Ответ дайте в метрах в секунду, округлив его до десятых.

К условию
ABOα
Авторская схема по оригиналу. Угол α отмечен между первой нитью к потолку и продолжением второй нити; это внешний угол.
О задаче · 10 класс · 17 баллов
Олимпиада
Шаг в будущее
Предмет / класс
Физика · 10 класс
Сезон / этап
2025/26 · Отборочный этап
Комплект
Вариант 1 · задача 7
Официальные баллы17 балловСумма максимумов по критериям: 100.
Сложность Popov Academy4/5 · предварительно

Для подготовки: 10 класс.

Записать идею

Личный черновик для заметок и расчётов. Он никуда не отправляется и не проверяется.

Подсказка 1

В каком направлении может двигаться точка крепления нерастяжимой нити, если другой её конец неподвижен?

Подсказка 2

Продолжите нити до пересечения. Сравните расстояния от этой точки до AA и OO, внимательно прочитав внешний угол на рисунке.

Разобрать решение по шагам
01

Определим направления скоростей точек крепления

Концы нитей у потолка неподвижны, длины нитей постоянны. Поэтому скорости точек AA и BB перпендикулярны соответствующим нитям. Продолжим прямые нитей до пересечения II. В рассматриваемый момент движение твёрдого диска можно представить как вращение вокруг II: именно к этой точке направлены перпендикуляры к скоростям двух его точек. Поэтому vA=ωIAv_A=\omega IA и vO=ωIOv_O=\omega IO.

02

Прочитаем нужный угол по исходному рисунку

Нити на рисунке касаются диска в AA и BB, поэтому OA⊥IAOA\perp IA, OB⊥IBOB\perp IB. Отрезки касательных из одной точки равны, а прямая IOIO делит угол AIBAIB пополам. Важно: на исходном рисунке α\alpha отмечен как внешний угол между продолжением первой нити и второй. Следовательно, ∠AIB=180∘−α\angle AIB=180^\circ-\alpha и ∠AIO=90∘−α/2\angle AIO=90^\circ-\alpha/2.

К этому шагу
Мгновенный центр I, касательные, радиусы и направления скоростейIOABα50°vAvOI — пересечение прямых нитей, мгновенный центр вращения.OA ⟂ IA; OB ⟂ IB; α — внешний угол, поэтому ∠AIB = 100°.
Мгновенный центр I, касательные, радиусы и направления скоростей
03

Свяжем расстояния и скорости

В прямоугольном треугольнике IAOIAO гипотенуза равна IOIO. Поэтому

IAIO=cos⁡(90∘−α2)=sin⁡α2.\frac{IA}{IO}=\cos\left(90^\circ-\frac\alpha2\right)=\sin\frac\alpha2.

Делим две формулы для скоростей:

vO=vAIOIA=vAsin⁡(α/2)=2sin⁡40∘≈3,11 м/с.v_O=v_A\frac{IO}{IA}=\frac{v_A}{\sin(\alpha/2)}=\frac2{\sin40^\circ}\approx3{,}11\ \text{м/с}.

Округление до десятых даёт 3,13{,}1 м/с.

Ответ

3,13{,}1 м/с.

Главная идея

Пересечение перпендикуляров к скоростям задаёт мгновенный центр вращения; касательные связывают плечи с указанным внешним углом.

Как заметить эту идею в другой задаче

Если две точки твёрдого тела движутся перпендикулярно известным линиям, их пересечение помогает сравнить скорости через радиусы мгновенного вращения.

Возможная ошибка

Принять указанный внешний угол за ∠AIB\angle AIB и получить косинус вместо синуса половины угла.

Источник и примечания

Официальный источник

PDF организатора · страницы 7 · задача 7 ↗

Шаг в будущее · 2025/26 · физика · 10 класс · отборочный этап · вариант 1.

Авторский разбор Popov Academy.

Можете объяснить решение своими словами?

Продолжить тему: Кинематика →
Учебная схема