Câu hỏi:
84 lượt xemMột ô tô mô hình được thả nhẹ từ trạng thái nghỉ từ độ cao h của một cái rãnh không ma sát. Rãnh được uốn thành đường tròn có đường kính D ở phía cuối như trên Hình 26.1. Ô tô này trượt trên rãnh được cả vòng tròn mà không bị rơi. Giá trị tối thiểu của h là:
Lời giải
Hướng dẫn giải:
Đáp án đúng là: A
Chọn mốc tính thế năng tại mặt phẳng ngang.
Cơ năng tại đỉnh dốc: \[{{\rm{W}}_1} = {{\rm{W}}_{d1}} + {{\rm{W}}_{t1}} = \frac{1}{2}m{.0^2} + mgh = mgh\]
Cơ năng tại điểm cao nhất của vòng tròn: \[{{\rm{W}}_2} = {{\rm{W}}_{d2}} + {{\rm{W}}_{t2}} = \frac{1}{2}m{v^2} + mgD\]
Do bỏ qua ma sát nên cơ năng coi như bảo toàn:
\[{{\rm{W}}_1} = {{\rm{W}}_2} \Leftrightarrow mgh = \frac{1}{2}m{v^2} + mgD \Leftrightarrow {v^2} = 2g\left( {h - D} \right)\]
Khi ô tô lên đỉnh cao nhất của vòng tròn, hợp lực của trọng lực và phản lực tác dụng lên ô tô đóng vai trò là lực hướng tâm (trọng lực và phản lực có phương thẳng đứng, hướng xuống):
\[{F_{ht}} = P + N \Rightarrow N = {F_{ht}} - P = m\frac{{{v^2}}}{r} - mg = m\frac{{2g\left( {h - D} \right)}}{{\frac{D}{2}}} - mg\]
Để ô tô không bị rơi khi lên đỉnh vòng tròn thì:
\[N \ge 0 \Leftrightarrow m\frac{{2g\left( {h - D} \right)}}{{\frac{D}{2}}} - mg \ge 0 \Leftrightarrow h - D \ge \frac{D}{4} \Rightarrow h \ge \frac{{5D}}{4}\]
\[ \Rightarrow {h_{\min }} = \frac{{5D}}{4}\]