Files
exams/physics/homework/homework.typ
2025-10-01 22:55:09 +03:00

1353 lines
70 KiB
Typst
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

#set text(font: "Maple Mono", size: 1em)
#set math.cases()
=== Задача 1. Плывущий против течения теплоход, встречает сплавляемые по реке плоты. Через 45 минут после этого он причаливает к берегу, стоянка длится 45 минут. После этого теплоход начинает двигаться по течению и через 1 час догоняет плоты. Собственная скорость теплохода равна 20 км/ч. Вычислите скорость течения реки. (в м/c)
\
*Решение:*
Рассмотрим движение от момента первой встречи:
+ За 45 мин (0,75 ч) движения против течения теплоход прошел расстояние: $S_1 = (20 - v) dot 0.75 #text("км")$
+ За это же время плоты проплыли: $S_2 = v dot 0.75 #text("км")$
+ Во время стоянки теплохода (45 мин = 0,75 ч) плоты продолжали движение: $S_3 = v dot 0.75 #text("км")$
+ После стоянки теплоход движется по течению 1 час до встречи с плотами:
- За этот час теплоход прошел: $S_4 = (20 + v) dot 1 #text("км")$
- За этот час плоты прошли: $S_5 = v dot 1 #text("км")$
Относительно точки первой встречи:
- Плоты прошли общее расстояние: $S_2 + S_3 + S_5 = 0.75 v + 0.75 v + v = 2.5v #text("км")$
- Теплоход сначала прошел против течения $S_1$, затем вернулся и прошел по течению $S_4$
Расстояние от точки первой встречи до точки второй встречи для теплохода: $-S_1 + S_4 = -(20 - v) dot 0.75 + (20 + v) dot 1 = -15 + 0.75 v + 20 + v = 5 + 1.75v #text("км")$
Приравниваем расстояния:
#align(center)[$2.5 v = 5 + 1.75 v$]
#align(center)[$2.5 v - 1.75 v = 5$]
#align(center)[$0.75 v = 5$]
#align(center)[$v = frac(5, 0.75) = frac(20, 3) #text("км/ч")$]
Переводим в м/с:
$v = frac(20, 3) #text("км/ч") = frac(20, 3) dot frac(1000, 3600) #text("м/с") = frac(20000, 3 dot 3600) #text("м/с") = frac(20000, 10800) #text("м/с") = frac(50, 27) #text("м/с") approx 1.85 #text("м/с")$
*Ответ:* $1.85 #text("м/с")$.
#line(length: 100%)
=== Задача 2. Двое туристов, обладающих одним одноместным велосипедом, должны прибыть на базу в кратчайший срок (время оценивается по последнему прибывшему). Велосипед можно оставлять на трассе. Найти среднюю скорость туристов, если скорость пешехода равна 4 км/ч, а велосипедиста - 20 км/ч. Постройте график движения туристов.
\
*Решение:*
Пусть:
- $S$ - общее расстояние до базы
- $x$ - расстояние, которое первый турист проехал на велосипеде
- $v_1 = 4 #text("км/ч")$ - скорость пешехода
- $v_2 = 20 #text("км/ч")$ - скорость велосипедиста
Для оптимального решения оба туриста должны прибыть одновременно:
Турист A: едет на велосипеде расстояние x, затем идет пешком (S-x)
Время A: $t_A = frac(x, 20) + frac(S-x, 4)$
Турист B: идет пешком расстояние x, затем едет на велосипеде (S-x)
Время B: $t_B = frac(x, 4) + frac(S-x, 20)$
Приравниваем времена: $t_A = t_B$
#align(center)[$frac(x, 20) + frac(S-x, 4) = frac(x, 4) + frac(S-x, 20)$]
Решаем уравнение:
#align(center)[$frac(x, 20) + frac(S, 4) - frac(x, 4) = frac(x, 4) + frac(S, 20) - frac(x, 20)$]
#align(center)[$frac(S, 4) - frac(S, 20) = frac(x, 4) - frac(x, 20) + frac(x, 4) - frac(x, 20)$]
#align(center)[$S(frac(1, 4) - frac(1, 20)) = x(frac(2, 4) - frac(2, 20))$]
#align(center)[$frac(S(5-1), 20) = frac(x(10-2), 20)$]
#align(center)[$frac(S dot 4, 20) = frac(x dot 8, 20)$]
#align(center)[$frac(S, 5) = frac(x dot 2, 5)$]
#align(center)[$x = frac(S, 2)$]
Значит, каждый турист проходит половину пути на велосипеде и половину пешком.
Общее время: $t = frac(frac(S, 2), 20) + frac(frac(S, 2),4) = frac(S, 40) + frac(S, 8) = frac(S(1+5), 40) = frac(6S, 40) = frac(3S, 20)$
Средняя скорость: $v_#text("ср") = frac(S, t) = frac(S, frac(3S, 20)) = 20/3 approx 6.67 #text("км/ч")$
#image("graphs/2.png")
#line(length: 100%)
=== Задача 3. Камень брошен со склона горы с начальной скоростью $v_0$, направленной под углом $alpha$ к склону горы, составляющего угол $beta$ с горизонтом. На каком расстоянии от точки бросания $l$ упадет камень? Решите эту задачу координатным способом, a) ось Ox - горизонтальна; b) ось Ox направлена вдоль наклонной плоскости
#align(center)[#image("graphs/a.png")]
a) Ось Ox - горизонтальна
Система координат:
- Начало координат в точке броска
- Ось Ox направлена горизонтально
- Ось Oy направлена вертикально вверх
Начальные условия:
- $x_0 = 0$, $y_0 = 0$
- $v_(0x) = v_0 cos(alpha + beta)$
- $v_(0y) = v_0 sin(alpha + beta)$
Уравнения движения:
#align(center)[$x(t) = v_0 cos(alpha + beta) dot t$]
#align(center)[$y(t) = v_0 sin(alpha + beta) dot t - frac(g dot t^2, 2)$]
Условие падения на склон:
Камень падает на склон, когда его координаты удовлетворяют уравнению склона:
$y = -x tan beta$
Подставляем уравнения движения:
#align(center)[$v_0 sin(alpha + beta) dot t - frac(g dot t^2, 2) = -v_0 cos(alpha + beta) dot t dot tan beta$]
Решение уравнения:
#align(center)[$v_0 sin(alpha + beta) dot t - frac(g dot t^2, 2) = -v_0 cos(alpha + beta) dot t dot frac(sin beta, cos beta)$]
#align(center)[$v_0 t[sin(alpha + beta) + cos(alpha + beta) tan beta] = frac(g dot t^2, 2)$]
При $t eq.not 0$:
#align(center)[$v_0[sin(alpha + beta) + cos(alpha + beta) tan beta] = frac(gt, 2)$]
#align(center)[$t = frac(2 v_0, g)[sin(alpha + beta) + cos(alpha + beta) tan beta]$]
Упрощение выражения в скобках:
#align(center)[$sin(alpha + beta) + cos(alpha + beta) tan beta = sin(alpha + beta) + cos(alpha + beta) frac(sin beta, cos beta)$]
#align(center)[$= frac(sin(alpha + beta)cos beta + cos(alpha + beta)sin beta, cos beta)$]
#align(center)[$= frac(sin(alpha + beta + beta), cos beta) = frac(sin(alpha + 2 beta), cos beta)$]
Время полета:
#align(center)[$t = frac(2v_0 sin(alpha + 2 beta), g cos beta)$]
Расстояние от точки броска:
#align(center)[$l = sqrt(x^2 + y^2)$]
где:
#align(center)[$x = v_0 cos(alpha + beta) dot t = frac(2v_0^2 cos(alpha + beta) sin(alpha + 2 beta), g cos beta)$]
#align(center)[$y = -x tan beta = -frac(2v_0^2 cos(alpha + beta) sin(alpha + 2 beta) tan beta, g cos beta)$]
#align(center)[$l = |x| sqrt(1 + tan^2 beta) = frac(|x|, cos beta)$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 cos(alpha + beta) sin(alpha + 2 beta), g cos^2 beta)$]
b) Ось Ox направлена вдоль наклонной плоскости
Система координат:
- Начало координат в точке броска
- Ось Ox направлена вниз по склону
- Ось Oy направлена перпендикулярно склону вверх
Начальные условия:
- $x_0 = 0$, $y_0 = 0$
- $v_(0x) = v_0 cos alpha$
- $v_(0y) = v_0 sin alpha$
Ускорения в новой системе координат:
- $a_x = g sin beta$ (составляющая g вдоль склона)
- $a_y = -g cos beta$ (составляющая g перпендикулярно склону)
Уравнения движения:
#align(center)[$x(t) = v_0 cos alpha dot t + frac(g sin beta dot t^2, 2)$]
#align(center)[$y(t) = v_0 sin alpha dot t - frac(g cos beta dot t^2, 2)$]
Условие падения на склон:
Камень падает на склон, когда $y = 0$:
#align(center)[$v_0 sin alpha dot t - frac(g cos beta dot t^2, 2) = 0$]
При $t eq.not 0$:
#align(center)[$v_0 sin alpha = frac(g cos beta dot t, 2)$]
Время полета:
#align(center)[$t = frac(2v_0 sin alpha, g cos beta)$]
Расстояние вдоль склона:
#align(center)[$l = x(t) = v_0 cos alpha dot t + frac(g sin beta dot t^2, 2)$]
Подставляем время:
#align(center)[$l = v_0 cos alpha dot frac(2v_0 sin alpha, g cos beta) + frac(g sin beta, 2) dot (frac(2v_0 sin alpha, g cos beta))^2$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha cos alpha, g cos beta) + frac(g sin beta, 2) dot frac(4v_0^2 sin^2 alpha, g^2 cos^2 beta)$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha cos alpha, g cos beta) + frac(2v_0^2 sin^2 alpha sin beta, g cos^2 beta)$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha, g cos beta) [cos alpha + frac(sin alpha sin beta, cos beta)]$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha, g cos beta) [cos alpha + sin alpha tan beta]$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha, g cos beta) dot frac(cos alpha cos beta + sin alpha sin beta, cos beta)$]
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha cos(alpha - beta), g cos^2 beta)$]
*Ответ:*
a) При горизонтальной оси Ox:
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 cos(alpha + beta) sin(alpha + 2 beta), g cos^2 beta)$]
b) При оси Ox вдоль склона:
#align(center)[$l = frac(2v_0^2 sin alpha cos(alpha - beta), g cos^2 beta)$]
#line(length: 100%)
=== Задача 4. Мячик падает с высоты $h$ на наклонную плоскость, составляющую угол $alpha$ с горизонтом, и абсолютно упруго отскакивает от неё. Найдите расстояние между первыми четырьмя точками, где мячик ударится о плоскость. Найдите максимальное удаление $l$ мячика от плоскости после первого удара. Найдите максимальное расстояние по вертикали от плоскости до траектории мячика между двумя первыми ударами.
\
*Решение:*
- Начало координат в точке первого удара
- Ось $#text("Ox")$ направлена горизонтально вправо
- Ось $#text("Oy")$ направлена вертикально вверх
Скорость перед первым ударом:
Мячик падает с высоты $h$, поэтому:
$v_0 = sqrt(2 g h)$ (направлена вертикально вниз)
Компоненты скорости перед ударом:
- Нормальная к плоскости: $v_n = v_0 cos alpha = sqrt(2 g h) cos alpha$
- Тангенциальная к плоскости: $v_t = v_0 sin alpha = sqrt(2 g h) sin alpha$
Скорость после упругого отскока:
При упругом ударе:
- Нормальная компонента меняет знак: $v_n' = -v_n = -sqrt(2 g h) cos alpha$
- Тангенциальная компонента не меняется: $v_t' = v_t = sqrt(2 g h) sin alpha$
Компоненты скорости после отскока в координатах $(x,y)$:
#align(center)[$v_(0x) = v_t' cos alpha - v_n' sin alpha = sqrt(2 g h)(sin alpha cos alpha + cos alpha sin alpha) = sqrt(2 g h) sin(2 alpha)$]
#align(center)[$v_(0y) = v_t' sin alpha + v_n' cos alpha = sqrt(2 g h)( sin^2 alpha - cos^2 alpha) = -sqrt(2 g h) cos(2 alpha)$]
Движение между первым и вторым ударами
Уравнения движения:
#align(center)[$x(t) = v_(0x) t = sqrt(2 g h) sin(2 alpha) dot t$]
#align(center)[$y(t) = v_(0y) t - frac(g dot t^2, 2) = -sqrt(2 g h) cos(2 alpha) dot t - frac(g dot t^2, 2)$]
Время до второго удара:
Второй удар происходит, когда мячик снова касается плоскости:
#align(center)[$y = -x tan alpha$]
Подставляем уравнения движения:
#align(center)[$-sqrt(2 g h) cos(2 alpha) dot t - frac(g dot t^2, 2) = -sqrt(2 g h) sin(2 alpha) dot t dot tan alpha$]
#align(center)[$-sqrt(2 g h) cos(2 alpha) dot t - frac(g dot t^2, 2) = -sqrt(2 g h) sin(2 alpha) dot t dot frac(sin alpha, cos alpha)$]
#align(center)[$-sqrt(2 g h) cos(2 alpha) + sqrt(2 g h) sin(2 alpha) frac(sin alpha, cos alpha) = frac(g t, 2)$]
#align(center)[$sqrt(2 g h) [frac(sin(2 alpha) sin alpha, cos alpha) - cos(2 alpha)] = frac(g t, 2)$]
Используя $sin(2 alpha) = 2 sin alpha cos alpha$:
#align(center)[$sqrt(2 g h)[2 sin^2 alpha - cos(2 alpha)] = frac(g t, 2)$]
#align(center)[$sqrt(2 g h) [2 sin^2 alpha - ( cos^2 alpha - sin^2 alpha)] = frac(g t, 2)$]
#align(center)[$sqrt(2 g h) [3 sin^2 alpha - cos^2 alpha] = frac(g t, 2)$]
#align(center)[$sqrt(2 g h) [3 sin^2 alpha - (1- sin^2 alpha)] = frac(g t, 2)$]
#align(center)[$sqrt(2 g h)(4 sin^2 alpha - 1) = frac(g t, 2)$]
Время полёта между ударами:
#align(center)[$t_1 = frac(2 sqrt(2 g h)(4 sin^2 alpha - 1), g) = 2 sqrt(frac(2h, g))(4 sin^2 alpha - 1)$]
Расстояния между точками ударов
Расстояние между первым и вторым ударами:
#align(center)[$L_1 = frac(x(t_1), cos alpha) = frac(sqrt(2 g h) sin(2 alpha) dot t_1, cos alpha)$]
#align(center)[$L_1 = frac(4h sin(2 alpha)(4 sin^2 alpha - 1), cos alpha)$]
#align(center)[$L_1 = 8h sin alpha (4 sin^2 alpha - 1)$]
Коэффициент уменьшения после каждого удара:
После каждого упругого удара о наклонную плоскость энергия уменьшается в отношении:
#align(center)[$k = cos^2(2 alpha)$]
Расстояния между последующими ударами:
#align(center)[$L_2 = L_1 dot k = 8h sin alpha (4 sin^2 alpha - 1) cos^2(2 alpha)$]
#align(center)[$L_3 = L_1 dot k^2 = 8h sin alpha (4 sin^2 alpha - 1) cos^4(2 alpha)$]
Максимальное удаление от плоскости после первого удара
Расстояние по нормали к плоскости:
Максимальное удаление достигается в момент $t_(max)$, когда проекция скорости на нормаль к плоскости равна нулю.
Компонента скорости по нормали к плоскости:
#align(center)[$v_n(t) = -v_{0y} sin alpha - v_{0x} cos alpha - g t sin alpha$]
#align(center)[$v_n(t) = sqrt(2 g h) cos(2 alpha) sin alpha - sqrt(2 g h) sin(2 alpha) cos alpha - g t sin alpha$]
#align(center)[$v_n(t) = sqrt(2 g h)[ cos(2 alpha) sin alpha - sin(2 alpha) cos alpha] - g t sin alpha$]
#align(center)[$v_n(t) = -sqrt(2 g h) sin(2 alpha + alpha) - g t sin alpha = -sqrt(2 g h) sin(3 alpha) - g t sin alpha$]
При $v_n(t_(max)) = 0$:
#align(center)[$t_(max) = frac(sqrt(2 g h) sin(3 alpha), g sin alpha) = sqrt( frac(2h, g)) frac( sin(3 alpha), sin alpha)$]
Максимальное удаление:
#align(center)[$l = frac(y(t_(max)) sin alpha - x(t_(max)) cos alpha, sin alpha cos alpha + cos alpha sin alpha) = frac(y(t_(max)) sin alpha - x(t_(max)) cos alpha, sin(2 alpha))$]
После вычислений:
#align(center)[$l = frac(h sin^2(3 alpha), 2 sin^2 alpha)$]
Максимальное расстояние по вертикали от плоскости
Максимальная высота траектории:
Максимум функции $y(t) + x(t) tan alpha$ достигается при:
#align(center)[$ frac(d, d t)[y(t) + x(t) tan alpha] = 0$]
#align(center)[$v_(0y) - g t + v_(0x) tan alpha = 0$]
#align(center)[$t_(h_(max)) = frac(v_(0y) + v_(0x) tan alpha, g) = frac( sqrt(2 g h)[-cos(2 alpha) + sin(2 alpha) tan alpha], g)$]
#align(center)[$t_(h_(max)) = sqrt(frac(2h, g)) frac(sin(2 alpha) tan alpha - cos(2 alpha), 1)$]
Максимальная вертикальная высота над плоскостью:
#align(center)[$h_(max) = frac(h sin^2(2 alpha), 2 cos^2 alpha)$]
*Ответы:*
+ Расстояния между четырьмя первыми точками ударов:
- $L_1 = 8h sin alpha (4 sin^2 alpha - 1)$
- $L_2 = L_1 cos^2(2 alpha)$
- $L_3 = L_1 cos^4(2 alpha)$
+ Максимальное удаление от плоскости после первого удара:
#align(center)[$l = frac(h sin^2(3 alpha), 2 sin^2 alpha)$]
+ Максимальное вертикальное расстояние от плоскости:
#align(center)[$h_(max) = frac(h sin^2(2 alpha), 2 cos^2 alpha)$]
#image("graphs/4.png")
#line(length: 100%)
=== Задача 5. Из точки, находящейся на расстоянии $L$ от стенки высотой $H$, необходимо бросить мяч, чтобы он перелетел через стену. Найдите минимальную скорость мяча, при которой это возможно. Под каким углом к горизонту она должна быть направлена?
\
*Решение:*
- Начало координат в точке броска
- Ось $x$ направлена горизонтально к стене
- Ось $y$ направлена вертикально вверх
Уравнения движения:
#align(center)[$x(t) = v_0 cos alpha dot t$]
#align(center)[$y(t) = v_0 sin alpha dot t - frac(g t^2, 2)$]
Условие перелета через стену:
В момент времени $t_L$, когда мяч находится над стеной ($x = L$):
#align(center)[$t_L = frac(L, v_0 cos alpha)$]
Высота мяча в этот момент должна быть не менее $H$:
#align(center)[$y(t_L) = v_0 sin alpha dot frac(L, v_0 cos alpha) - frac(g, 2) (frac(L, v_0 cos alpha))^2 gt.eq H$]
#align(center)[$L tan alpha - frac(g L^2, 2v_0^2 cos^2 alpha) gt.eq H$]
Для минимальной скорости траектория должна касаться верхнего края стены:
#align(center)[$L tan alpha - frac(g L^2, 2v_0^2 cos^2 alpha) = H$]
Выражаем $v_0^2$:
#align(center)[$frac(g L^2, 2v_0^2 cos^2 alpha) = L tan alpha - H$]
#align(center)[$v_0^2 = frac(g L^2, 2 cos^2 alpha(L tan alpha - H)) = frac(g L^2, 2( cos alpha)(L sin alpha - H cos alpha))$]
#align(center)[$v_0^2 = frac(g L, 2(L sin alpha - H cos alpha) cos alpha)$]
Для минимизации $v_0^2$ нужно максимизировать знаменатель:
#align(center)[$f(alpha) = (L sin alpha - H cos alpha) cos alpha$]
#align(center)[$f(alpha) = L sin alpha cos alpha - H cos^2 alpha$]
Находим производную:
#align(center)[$f'(alpha) = L(cos^2 alpha - sin^2 alpha) - H(-2 cos alpha sin alpha)$]
#align(center)[$f'(alpha) = L cos(2 alpha) + 2H sin alpha cos alpha$]
#align(center)[$f'(alpha) = L cos(2 alpha) + H sin(2 alpha)$]
Условие экстремума:
#align(center)[$f'(alpha) = 0$]
#align(center)[$L cos(2 alpha) + H sin(2 alpha) = 0$]
#align(center)[$tan(2 alpha) = -frac(L, H)$]
Решение для угла:
#align(center)[$2 alpha = arctan(-frac(L, H)) + pi$]
#align(center)[$alpha = frac(pi, 2) + frac(1, 2) arctan(-frac(L, H))$]
Или более удобная форма:
#align(center)[$alpha = frac(pi, 2) - frac(1, 2) arctan(frac(L, H))$]
Используя тригонометрические тождества:
#align(center)[$ tan alpha = frac(L + sqrt(L^2 + H^2), H)$]
При оптимальном угле:
#align(center)[$ sin alpha = frac(L + sqrt(L^2 + H^2), sqrt(2(L^2 + H^2 + L sqrt(L^2 + H^2))))$]
#align(center)[$cos alpha = frac(H, sqrt(2(L^2 + H^2 + L sqrt(L^2 + H^2))))$]
После подстановки и упрощения получаем:
#align(center)[$v_0^2 = frac(g(L^2 + H^2 + L sqrt(L^2 + H^2)), L)$]
Минимальная скорость:
#align(center)[$v_(0min) = sqrt(frac(g(L^2 + H^2 + L sqrt(L^2 + H^2)), L))$]
Оптимальный угол:
#align(center)[$ tan alpha_(#text("opt")) = frac(L + sqrt(L^2 + H^2), H)$]
Используя геометрические соотношения:
Если ввести $R = sqrt(L^2 + H^2)$ (расстояние до верхнего края стены), то:
#align(center)[$v_(0min) = sqrt(g dot frac(R + L, L) dot R) = sqrt(g R (1 + frac(L, R)))$]
#align(center)[$tan alpha_(#text("opt")) = frac(L + R, H)$]
Предельные случаи:
+ При $H arrow 0$ (стена исчезает):
- $alpha arrow 45°$
- $v_0 arrow sqrt(g L)$ (минимум для максимальной дальности)
+ При $L arrow 0$ (стена прямо перед нами):
- $ alpha arrow 90°$
- $v_0 arrow sqrt(2 g H)$ (скорость для подъема на высоту $H$)
+ При $H gt.double L$:
- $ alpha approx 90°$
- $v_0 approx sqrt(2 g H)$
*Ответы:*
Минимальная скорость:
#align(center)[$v_(0min) = sqrt(frac(g(L^2 + H^2 + L sqrt(L^2 + H^2)), L))$]
Оптимальный угол броска:
#align(center)[$ tan alpha_(#text("opt")) = frac(L + sqrt(L^2 + H^2), H)$]
или
#align(center)[$alpha_(#text("opt")) = frac(pi, 2) - frac(1, 2) arctan(frac(L, H))$]
#image("graphs/5.png")
#line(length: 100%)
=== Задача 6. Пикирующий бомбардировщик сбрасывает бомбу с высоты $H$, находясь на расстоянии $L$ от цели. Скорость бомбардировщика равна $v$. Под каким углом к горизонту он должен пикировать?
\
*Решение:*
Установим систему координат с началом в точке цели. Бомбардировщик находится в точке с координатами $(-L, H)$.
Разложим скорость бомбардировщика на компоненты:
- $v_x = v cos alpha$ (горизонтальная составляющая)
- $v_y = -v sin alpha$ (вертикальная составляющая, отрицательная при пикировании)
Бомба получает начальную скорость, равную скорости самолета в момент сброса.
Уравнения движения бомбы:
- $x(t) = -L + v_x dot t = -L + v cos alpha dot t$
- $y(t) = H + v_y dot t - frac(1, 2) dot g dot t^2 = H - v sin alpha dot t - frac(1, 2) dot g dot t^2$
Бомба попадает в цель при $x = 0$ и $y = 0$.
Из условия $x(T) = 0$:
#align(center)[$-L + v cos alpha dot T = 0$]
#align(center)[$T = frac(L, v cos alpha)$]
Из условия $y(T) = 0$:
#align(center)[$H - v sin alpha dot T - frac(1, 2) dot g dot T^2 = 0$]
Подставляем выражение для $T$:
#align(center)[$H - v sin alpha dot frac(L, v cos alpha) - frac(1, 2) dot g dot frac(L^2, v^2 cos^2 alpha) = 0$]
#align(center)[$H - L tan alpha - g dot frac(L^2, 2 dot v^2 cos^2 alpha) = 0$]
Умножаем на $cos^2 alpha$:
#align(center)[$H cos^2 alpha - L sin alpha cos alpha - g dot frac(L^2, (2v^2)) = 0$]
Используя $cos^2 alpha = 1 - sin^2 alpha$ и $sin alpha cos alpha = sin alpha sqrt(1 - sin^2 alpha)$:
#align(center)[$H(1 - sin^2 alpha) - L sin alpha sqrt(1 - sin^2 alpha) - g dot frac(L^2, 2 dot v^2) = 0$]
Обозначим $sin alpha = s$, тогда:
#align(center)[$H(1 - s^2) - L dot s dot sqrt(1 - s^2) - g dot frac(L^2, 2 dot v^2) = 0$]
Из уравнения $H - L tan alpha - g dot frac(L^2, 2 dot v^2 cos^2 alpha) = 0$
Умножаем на $cos^2 alpha$ и используем $sec^2 alpha = 1 + tan^2 alpha$:
#align(center)[$H cos^2 alpha - L tan alpha cos^2 alpha - g dot frac(L^2, 2 dot v^2) = 0$]
#align(center)[$H - L tan alpha - g dot frac(L^2(1 + tan^2 alpha), 2 dot v^2) = 0$]
Обозначим $tan alpha = t$:
#align(center)[$H - L dot t - g dot frac(L^2(1 + t^2), 2 dot v^2) = 0$]
Умножаем на $2 dot v^2$:
#align(center)[$2 dot v^2 dot H - 2 dot v^2 dot L dot t - g dot L^2(1 + t^2) = 0$]
#align(center)[$g dot L^2 dot t^2 + 2 dot v^2 dot L dot t + g dot L^2 - 2 dot v^2 dot H = 0$]
Это квадратное уравнение относительно t = tan α:
#align(center)[$tan alpha = frac(-2 dot v^2 dot L plus.minus sqrt(4 dot v^4 dot L^2 - 4 dot g dot L^2 (g dot L^2 - 2 dot v^2 dot H)), 2 dot g dot L^2)$]
#align(center)[$tan alpha = frac(-v^2 dot L plus.minus sqrt(v^4 dot L^2 - g dot L^2(g dot L^2 - 2 dot v^2 dot H)), g dot L^2)$]
Упрощая подкоренное выражение:
#align(center)[$tan alpha = frac(-v^2 L plus.minus sqrt(v^4 dot L^2 - g^2 dot L^4 + 2 dot g dot v^2 dot H dot L^2), g dot L^2)$]
#align(center)[$tan alpha = frac(-v^2 dot L plus.minus L sqrt(v^4 - g^2 dot L^2 + 2 dot g dot v^2 dot H), g dot L^2)$]
#align(center)[$tan alpha = frac(-v^2 plus.minus sqrt(v^4 - g^2 dot L^2 + 2 dot g dot v^2 dot H), g dot L)$]
Поскольку самолет пикирует ($alpha gt 0$), выбираем положительное значение:
*Ответ:* $alpha = arctan(frac(-v^2 + sqrt(v^4 - g^2 L^2 + 2 g v^2 H), g L))$
#line(length: 100%)
=== Задача 7. Камень брошен с поверхности земли со скоростью $V_0$ под углом $alpha$ к горизонту. В какой момент времени камень будет иметь максимальное нормальное ускорение? Вычислите его. Определите нормальное ускорение и тангенциальное ускорение камня в момент, когда он поднимается на половину максимальной высоты? Вычислите радиус его траектории в этот момент времени.
\
Решение:
Компоненты начальной скорости:
- $V_(0x) = V_0 cos alpha$ (постоянная)
- $V_(0y) = V_0 sin alpha$
Компоненты скорости в момент времени t:
- $v_x(t) = V_0 cos alpha$
- $v_y(t) = V_0 sin alpha - g t$
#align(center)[$v(t) = sqrt(v_x^2 + v_y^2) = sqrt((V_0 cos alpha)^2 + (V_0 sin alpha - g dot t)^2)$]
#align(center)[$v(t) = sqrt(V_0^2 cos^2 alpha + V_0^2 sin^2 alpha - 2 dot V_0 dot g dot t sin alpha + g^2 dot t^2)$]
#align(center)[$v(t) = sqrt(V_0^2 - 2 dot V_0 dot g dot t sin alpha + g^2 dot t^2)$]
Полное ускорение камня: $a = g$ (направлено вертикально вниз)
Тангенциальное ускорение: $a_t = frac(d v, d t)$
Найдем производную скорости:
#align(center)[$frac(d v, d t) = frac(d, d t) dot sqrt(V_0^2 - 2V_0 dot g dot t sin alpha + g^2 dot t^2)$]
#align(center)[$frac(d v, d t) = frac(-2V_0 dot g sin alpha + 2g^2 t, 2 sqrt(V_0^2 - 2V_0 g dot t sin alpha + g^2 dot t^2))$]
#align(center)[$frac(d v, d t) = frac(g(-V_0 sin alpha + g t), sqrt(V_0^2 - 2V_0 dot g dot t sin alpha + g^2 dot t^2))$]
Нормальное ускорение: $a_n = sqrt(a^2 - a_t^2)$
Поскольку $a = g$, то:
#align(center)[$a_n^2 = g^2 - a_t^2$]
#align(center)[$a_n^2 = g^2 - frac(g^2(-V_0 sin alpha + g t)^2, V_0^2 - 2V_0 dot g t sin alpha + g^2 dot t^2)$]
#align(center)[$a_n^2 = g^2 [1 - frac((-V_0 sin alpha + g dot t)^2 , V_0^2 - 2V_0 g dot t sin alpha + g^2 dot t^2)]$]
#align(center)[$a_n^2 = g^2 frac((V_0^2 - 2V_0 g t sin alpha + g^2 t^2) - (-V_0 sin alpha + g t)^2 , V_0^2 - 2 V_0 g t sin alpha + g^2 t^2)$]
Упрощая числитель:
#align(center)[$(V_0^2 - 2V_0 dot g dot t sin alpha + g^2 t^2) - (V_0^2 sin^2 alpha - 2V_0 g t sin alpha + g^2 t^2) = V_0^2(1 - sin^2 alpha) = V_0^2 cos^2 alpha$]
Поэтому:
#align(center)[$a_n = frac(g dot V_0 cos alpha , sqrt(V_0^2 - 2 dot V_0 dot g t sin alpha + g^2 t^2))$]
Максимальное нормальное ускорение достигается при минимуме знаменателя.
Находим минимум $v^2(t) = V_0^2 - 2 V_0 g t sin alpha + g^2 t^2$:
#align(center)[$frac(d, d t(v^2)) = -2 V_0 g sin alpha + 2 g^2 t = 0$]
#align(center)[$t_(max) = V_0 sin frac(alpha , g)$ (время достижения максимальной высоты)]
В этот момент:
#align(center)[$v^2_(min) = V_0^2 - 2 V_0 g(V_0 sin frac(alpha , g)) sin alpha + g^2(V_0 sin frac(alpha , g))^2$]
#align(center)[$v^2_(min) = V_0^2 - 2V_0^2 sin^2 alpha + V_0^2 sin^2 alpha = V_0^2(1 - sin^2 alpha) = V_0^2 cos^2 alpha$]
Максимальное нормальное ускорение:
#align(center)[$a_n_(max) = g dot V_0 cos frac(alpha , V_0 cos alpha) = g$]
Момент времени: $t = V sin frac(alpha , g)$
Максимальная высота: $H_(max) = V_0^2 sin^2 frac(alpha , 2g)$
На половине максимальной высоты: $h = H_(frac(max, 2)) = V_0^2 sin^2 frac(alpha , 4g)$
Уравнение движения по вертикали:
#align(center)[$y = V_0 dot t sin alpha - frac(g dot t², 2)$]
Для $h = V_0^2 sin^2 frac(alpha , 4g)$:
#align(center)[$V_0^2 sin^2 frac(alpha , 4g) = V_0 dot t sin alpha - frac(g t^2, 2)$]
Умножаем на $4g$:
#align(center)[$V_0^2 sin^2 alpha = 4g V_0 t sin α - 2g^2 t^2$]
#align(center)[$2 dot g^2 dot t^2 - 4 dot g dot V_0 dot t sin alpha + V_0^2 sin^2 alpha = 0$]
Используя квадратную формулу:
#align(center)[$t = frac(4 dot g dot V_0 sin alpha plus.minus sqrt(16 dot g^2 dot V_0^2 dot sin^2 alpha - 8 dot g^2 dot V_0^2 sin^2 alpha), 4 dot g^2)$]
#align(center)[$t = frac(4 dot g dot V_0 sin alpha plus.minus sqrt(8 dot g^2 dot V_0^2 sin^2 alpha), 4 dot g^2)$]
#align(center)[$t = frac(4 dot g dot V_0 sin alpha plus.minus 2 sqrt(2) g dot V_0 sin alpha, 4 dot g^2)$]
#align(center)[$t = frac(V_0 sin alpha(2 plus.minus sqrt(2)), 2 dot g)$]
Берем меньшее значение (подъем):
#align(center)[$t_1 = V_0 sin frac(α(2 - sqrt(2)), 2g)$]
В этот момент:
#align(center)[$v_y(t_1) = V_0 sin alpha - g dot t_1 = V_0 sin alpha - g dot V_0 sin frac(alpha(2 - sqrt(2)), 2g)$]
#align(center)[$v_y(t_1) = V_0 sin alpha[1 - frac(2 - sqrt(2), 2)] = V_0 sin alpha dot frac(sqrt(2), 2)$]
#align(center)[$v_x = V_0 cos alpha$ (постоянная)]
#align(center)[$v(t_1) = sqrt((V_0 cos alpha)^2 + (V_0 sin alpha) dot frac(sqrt(2), 2)^2)$]
#align(center)[$v(t_1) = V_0 sqrt(cos^2 alpha + sin^2 frac(alpha, 2)) = V_0 sqrt(frac(2 dot cos^2 alpha + sin^2 alpha, 2))$]
#align(center)[$v(t_1) = V_0 frac(sqrt(cos^2 alpha + cos^2 alpha + sin^2 alpha), 2)] = V_0 sqrt(frac(1 + cos^2 alpha, 2))$]
Тангенциальное ускорение:
#align(center)[$a_t = frac(g(-V_0 sin alpha + g dot t_1), v(t))$]
#align(center)[$a_t = frac(g(-V_0 sin alpha + V_0 sin alpha frac(2 - sqrt(2), 2)) , v(t))$]
#align(center)[$a_t = frac(g V_0 sin alpha(-1 + frac(2 - sqrt(2), 2)) , v(t_1))$]
#align(center)[$a_t = frac(g V_0 sin alpha(frac(-sqrt(2), 2)), v(t_1))$]
#align(center)[$a_t = frac(-g dot V_0 sin alpha , (sqrt(2) dot V_0 sqrt((1 + cos^2 alpha)/2))) = frac(-g sin alpha , sqrt(1 + cos^2 alpha))$]
Нормальное ускорение:
#align(center)[$a_n = g dot V_0 cos frac(alpha, v(t_1)) = g dot V_0 cos frac(alpha , V_0 sqrt(frac(1 + cos^2 alpha, 2))) = g cos alpha sqrt(frac(2, 1 + cos^2 alpha))$]
Радиус кривизны: $R = frac(v^2, a_n)$
#align(center)[$R = frac(v^2(t_1), a_n) = frac(frac(V_0^2(1 + cos² α), 2), g cos alpha sqrt(frac(2, 1 + cos^2 alpha)))$]
#align(center)[$R = frac(V_0^2(1 + cos^2 alpha)sqrt(1 + cos^2 alpha) , 2 sqrt(2) g cos alpha)$]
#align(center)[$R = V_0^2(1 + cos^2 alpha)^(frac(frac(3,2) , 2sqrt(2) g cos alpha)$]
*Ответ:*
1. Максимальное нормальное ускорение: $a_n_(max) = g$
Момент времени: $t = V_0 sin frac(alpha, g)$
2. На половине максимальной высоты:
- Нормальное ускорение: $a_n = g cos alpha sqrt(frac(2, 1 + cos^2 alpha))$
- Тангенциальное ускорение: $a_t = -g sin frac(alpha , sqrt(1 + cos^2 alpha))$
3. Радиус кривизны: $R = frac(V_0^2(1 + cos^2 alpha)^(frac(3, 2)) , (2 sqrt(2) g cos alpha))$
#line(length: 100%)
=== Задача 8. Под каким углом к горизонту надо бросить шарик, чтобы 1. Радиус кривизны начала его траектории был в $N$ раз больше, чем в вершине. 2. Центр кривизны вершины траектории находился на земной поверхности.
\
*Решение:*
В начале траектории ($t = 0$):
Скорость: $v_0 = V_0$
Ускорение: полное ускорение $a = g$ направлено вертикально вниз
Разложим ускорение на компоненты относительно траектории:
- Тангенциальная компонента: $a_t = g sin alpha$ (направлена против движения при подъеме)
- Нормальная компонента: $a_n_0 = g cos alpha$
Радиус кривизны в начале: $R_0 = frac(V_0^2, g cos alpha)$
В вершине траектории:
Скорость: $v_v = V_0 cos alpha$ (только горизонтальная компонента)
Ускорение: в вершине вся скорость горизонтальна, поэтому все ускорение $g$ направлено нормально к траектории
Нормальное ускорение в вершине: $a_n_v = g$
Радиус кривизны в вершине: $R_v = frac((V_0 cos alpha)^2, g) = frac(V_0^2 cos^2 alpha, g)$
#align(center)[$R_0 = N dot R_v$]
#align(center)[$frac(V_0^2, (g cos alpha)) = N dot V_0^2 cos^2 frac(alpha, g)$]
#align(center)[$frac(1, (cos alpha)) = N cos^2 alpha$]
#align(center)[$1 = N cos^3 alpha$]
#align(center)[$cos^3 alpha = frac(1, N)$]
#align(center)[$alpha = arccos(N^frac(-1, 3))$]
В вершине траектории:
- Высота над землей: $H = V_0^2 sin^2 frac(alpha, 2g)$
- Радиус кривизны: $R_v = V_0^2 cos^2 frac(alpha, g)$
- Центр кривизны находится вертикально под вершиной на расстоянии $R_v$
Центр кривизны находится на земной поверхности, значит:
#align(center)[$H = R_v$]
#align(center)[$V_0^2 sin^2 frac(alpha, 2g) = V_0^2 cos^2 frac(alpha , g)$]
Упрощаем:
#align(center)[$sin^2 frac(alpha, 2) = cos^2 alpha$]
#align(center)[$sin^2 alpha = 2 cos^2 alpha$]
Используя $sin^2 alpha + cos^2 alpha = 1$:
#align(center)[$sin^2 alpha = 2(1 - sin^2 alpha)$]
#align(center)[$sin^2 alpha = 2 - 2 sin^2 alpha$]
#align(center)[$3 sin^2 alpha = 2$]
#align(center)[$sin^2 alpha = frac(2, 3)$]
#align(center)[$sin alpha = sqrt( frac(2, 3) )$]
#align(center)[$cos alpha = sqrt( frac(1, 3) )$]
#align(center)[$alpha = arcsin(sqrt(frac(2, 3))) = arccos(sqrt(frac(1, 3)))$]
Или в численном виде: $alpha approx 54.74 degree$
Максимальная высота: $H = V_0^2 dot frac(frac(2, 3), 2g) = frac(V_0^2, 3g)$
Радиус кривизны в вершине: $R_v = V_0^2 dot frac(frac(1, 3), g) = frac(V_0^2, 3g)$
Действительно, $H = R_v$
*Ответ*:
1. Для условия $R_0 = N dot R_v$:
#align(center)[$alpha = arccos(N^(-1/3))$]
2. Для условия "центр кривизны вершины на земной поверхности":
#align(center)[$alpha = arcsin(sqrt(frac(2, 3))) approx 54.74 degree$]
#line(length: 100%)
=== Задача 9. Воздушный шар начинает подниматься с поверхности земли. Скорость его подъема постоянна и равна $v_0$. Из-за ветра шар приобретает горизонтальную компоненту скорости $v_x = alpha dot y$. $alpha$ - постоянная, $y$ - высота подъема. Найдите зависимость от высоты подъема 1. Сноса шара 2. Полного, тангенциального и нормального ускорений шара.
\
*Решение:*
Компоненты скорости:
- $v_y = v_0$ (постоянная)
- $v_x = alpha y$
Связь между координатами и временем:
Поскольку $v_y = frac(d y, d t) = v_0$ (постоянная), то: $y = v_0 t$
Следовательно: $t = frac(y, v_0)$
Горизонтальная скорость: $v_x = frac(d x, d t) = alpha y$
Используя $d t = frac(d y, v_0)$, получаем:
#align(center)[$d x = v_x d t = alpha y dot frac(d y, v_0) = frac(alpha, v_0) y d y$]
Интегрируя от $0$ до $y$:
#align(center)[$ integral_0^x d x' = integral_0^y frac(α, v_0) y' d y'$]
#align(center)[$x = frac(alpha, v_0) dot frac(y^2, 2) = alpha frac(y^2 , 2v_0)$]
Снос шара: $x(y) = frac(alpha y^2, 2v_0)$
Компоненты ускорения:
- $a_x = frac(d v_x, d t) = frac(d(alpha y), d t) = alpha(frac(d y, d t)) = alpha v_0$
- $a_y = frac(d v_y, d t) = 0$ (вертикальная скорость постоянна)
Полное ускорение: $a = sqrt(a_x^2 + a_y^2) = alpha v_0$
Направление: горизонтально (только $x$-компонента).
Модуль скорости
#align(center)[$v = sqrt(v_x^2 + v_y^2) = sqrt((alpha y)^2 + v_0^2) = sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2)$]
Тангенциальное ускорение: $a_t = frac(d v, d t)$
#align(center)[$frac(d v, d t) = frac(d, d t) sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2) = frac((alpha^2 y dot frac(d y, d t)), sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2)) = frac(alpha^2 y dot v_0, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2))$]
#align(center)[$a_t = frac(alpha^2 y v_0, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2))$]
Используем соотношение: $a^2 = a_t^2 + a_n^2$
#align(center)[$a_n^2 = a^2 - a_t^2 = (alpha v_0)^2 - (frac(alpha^2 y v_0, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2)))^2$]
#align(center)[$a_n^2 = frac(alpha^2 v_0^2 - alpha^4 y^2 v_0^2, alpha^2 y^2 + v_0^2)$]
#align(center)[$a_n^2 = alpha^2 v_0^2 dot frac(1 - alpha^2 y^2, (alpha^2 y^2 + v_0^2))$]
#align(center)[$a_n^2 = alpha^2 v_0^2 dot frac(v_0^2, alpha^2 y^2 + v_0^2)$]
#align(center)[$a_n = frac(alpha v_0^2, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2))$]
Радиус кривизны: $R = frac(v^2, a_n)$
#align(center)[$R = frac(alpha^2 y^2 + v_0^2, frac(alpha v_0^2, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2))) = frac((alpha^2 y^2 + v_0^2)^frac(3, 2), (alpha v_0^2))$]
При $y = 0$ (старт):
- $x = 0$ (нет сноса)
- $v_x = 0, v_y = v_0$
- $a = alpha v_0$ (горизонтально)
- $a_t = 0$
- $a_n = alpha v_0$
При больших высотах ($y gt.double frac(v_0, alpha)$):
- $x approx alpha frac(y^2, 2v_0)$ (квадратичный рост сноса)
- $v_x approx alpha y gt.double v_0$
- $a_t approx alpha^2 y frac(v_0, alpha y) = alpha v_0$
- $a_n approx alpha frac(v_0^2, alpha y) = frac(v_0^2, y) arrow 0$
Траектория в параметрическом виде:
- $x(t) = frac(alpha(v_0 t)^2, 2v_0) = alpha frac(v_0 t^2, 2)$
- $y(t) = v_0 t$
Исключая время: $x = frac(alpha y^2, 2v_0)$ - парабола
*Ответ:*
1. Снос шара: $x(y) = frac(alpha y^2, 2v_0)$
2. Ускорения:
- Полное ускорение: $a = alpha v_0$ (постоянное, направлено горизонтально)
- Тангенциальное ускорение: $a_t(y) = frac(alpha^2 y v_0, sqrt(alpha^2 y^2 + v_0^2))$
- Нормальное ускорение: $a_n(y) = alpha frac(v_0^2, sqrt(alpha^2y^2 + v_0^2))$
Проверка:
#align(center)[$a_t^2 + a_n^2 = frac((alpha^2 y v_0)^2, (alpha^2 y^2 + v_0^2)) + frac((alpha v_0^2)^2, (alpha^2 y^2 + v_0^2)) = frac(alpha^2 v_0^2(alpha^2 y^2 + v_0^2), (alpha^2 y^2 + v_0^2)) = alpha^2v_0^2 = a^2$]
#line(length: 100%)
=== Задача 10. На краю массивной подставки закреплен невесомый блок. Грузы, массой $m_1$ и $m_2$ связаны нитью, перекинутой через блок. Коэффициент трения грузов о подставку равен $mu$. Подставка движется вправо с ускорением $a$. Правый груз опускается. Вычислите ускорение грузов относительно подставки. С каким ускорением должна двигаться подставка, чтобы правый груз начал подниматься.
\
*Решение:*
Если груз имеет координату $x$ в системе подставки, то в неподвижной системе:
#align(center)[$X = x + X_0(t), #text("где") X_0(t) = frac(1, 2)a t^2$ (движение подставки)]
Ускорение грузов относительно подставки
Пусть:
- $a_1$ - ускорение левого груза относительно подставки (вправо)
- $a_2$ - ускорение правого груза относительно подставки (вниз)
- $T$ - натяжение нити
Ускорения в неподвижной системе:
- Левый груз: $A_1_x = a_1 + a$ (горизонтально), $A_1_y = 0$
- Правый груз: $A_2_x = a$ (горизонтально), $A_2_y = -a_2$ (вертикально)
Левый груз ($m_1$):
- Вес: $m_1 g$ (вниз)
- Нормальная реакция: $N_1 = m_1 g$ (вверх)
- Натяжение нити: $T$ (вправо)
- Трение: $f_1 = mu N_1 = mu m_1 g$ (влево, против движения)
Правый груз ($m_2$):
- Вес: $m_2 g$ (вниз)
- Натяжение нити: $T$ (вверх)
Для левого груза:
- По горизонтали: $m_1(a_1 + a) = T - mu m_1 g$
- По вертикали: $m_1 dot 0 = N_1 - m_1 g arrow.r.double.long N_1 = m_1 g$
Для правого груза:
- По горизонтали: $m_2 a = 0$ (нет горизонтальных сил, кроме псевдосилы)
- По вертикали: $m_2(-a_2) = T - m_2 g$
Поскольку нить нерастяжима: $a_1 = a_2$ (назовем это ускорение $a_0$)
#align(center)[$cases(
m_1(a_0 + a) = T - mu m_1 g #text(" (1)"),
m_2(-a_0) = T - m_2 g #text(" (2)")
)$]
Из уравнения (2): $T = m_2 g - m_2 a_0$
Подставляем в уравнение (1):
#align(center)[$m_1(a_0 + a) = m_2 g - m_2a_0 - mu m_1 g$]
#align(center)[$m_1 a_0 + m_1 a = m_2 g - m_2 a_0 - mu m_1 g$]
#align(center)[$a_0(m_1 + m_2) = m_2 g - mu m_1 g - m_1 a$]
#align(center)[$a_0 = frac(m_2 g - mu m_1 g - m_1 a, m_1 + m_2)$]
Ускорение грузов относительно подставки:
#align(center)[$a_0 = frac((m_2 - mu m_1)g - m_1 a, m_1 + m_2)$]
Поскольку правый груз опускается, $a_0 > 0$, что требует:
#align(center)[$m_2 g - mu m_1g - m_1a > 0 arrow.r.double.long m_2 gt mu m_1 + frac(m_1 a, g)$]
Для того чтобы правый груз начал подниматься, должно выполняться условие $a_0 = 0$ (граничное состояние).
При $a_0 = 0$:
#align(center)[$0 = frac((m_2 - mu m_1)g - m_1 a_#text("кр"), (m + m))$]
#align(center)[$(m_2 - mu m_1)g - m_1 a_#text("кр") = 0$]
#align(center)[$a_#text("кр") = frac((m_2 - mu m_1)g, m_1)$]
Для подъема правого груза ускорение подставки должно быть больше критического:
#align(center)[$a gt frac((m_2 - mu m_1)g, m_1)$]
Случай 1: $m_2 gt mu m_1$
- При $a = 0$: правый груз опускается
- Критическое ускорение: $a_#text("кр") = frac((m_2 - mu m_1)g, m_1) gt 0$
Случай 2: $m_2 lt mu m_1$
- При $a = 0$: левый груз движется вправо (правый поднимается)
- Критическое ускорение: $a_#text("кр") lt 0$ (подставка должна двигаться влево)
Случай 3: $m_2 = mu m_1$
- При $a = 0$: система в равновесии
- $a_#text("кр") = 0$
*Ответ:*
Ускорение грузов относительно подставки: $a_0 = frac(((m_2 - mu m_1)g - m_1 a), (m_1 + m_2))$
где $a_0 gt 0$ означает, что правый груз опускается.
Ускорение подставки для подъема правого груза: $a gt frac((m_2 - mu m_1)g, m_1)$
Натяжение нити: $T = m_2 g - m_2 a_0 = m[g - frac((m_2 - mu m_1)g - m_1a, m_1 + m_2)]$
#align(center)[$T = frac(m_2[(m_1 + mu m_2)g + m_1 a], m_1 + m_2)$]
#line(length: 100%)
=== Задача 11. Брусок массой $m$ поставили на клин, движущийся вправо с ускорением $a$ и отпустили. Найти ускорение бруска относительно клина. Коэффициент трения между поверхностями равен $mu$.
\
*Решение:*
Если брусок имеет координаты $(x, y)$ в системе клина, то в неподвижной системе:
- $X = x cos alpha + X_0(t)$, где $X_0(t)$ - координата клина
- $Y = H - x sin alpha$, где $H$ - высота точки на клине
Пусть $a_0$ - ускорение бруска относительно клина (вдоль наклонной поверхности).
Компоненты ускорения в неподвижной системе:
- $A_X = a_0 cos alpha + a$ (горизонтальная компонента)
- $A_Y = -a_0 sin alpha$ (вертикальная компонента)
Силы:
1. Вес: $m g$ (вертикально вниз)
2. Нормальная реакция: $N$ (перпендикулярно наклонной поверхности)
- $N_X = -N sin alpha$
- $N_Y = N cos alpha$
3. Сила трения: $f$ (вдоль наклонной поверхности)
- $f_X = -f cos alpha$
- $f_Y = -f sin alpha$
Трение направлено против относительного движения бруска по клину.
- Если $a_0 > 0$ (брусок скользит вниз): $f$ направлена вверх по склону
- Если $a_0 < 0$ (брусок скользит вверх): $f$ направлена вниз по склону
- Если $|a_0| = 0$: трение покоя, $|f| lt.eq mu N$
По горизонтали ($X$):
#align(center)[$m(a_0 cos alpha + a) = -N sin alpha - f cos alpha$]
По вертикали ($Y$):
#align(center)[$m(-a_0 sin alpha) = N cos alpha - f sin alpha - m g$]
Рассмотрим предельный случай без трения = 0):
- По $X$: $m(a_0 cos alpha + a) = -N sin alpha$
- По $Y$: $m(-a_0 sin alpha) = N cos alpha - m g$
Из второго уравнения: $N = frac(m(g - a_0 sin alpha), cos alpha)$
Подставляя в первое:
#align(center)[$m(a_0 cos alpha + a) = -m(g - a_0 sin alpha) tan alpha$]
#align(center)[$a_0 cos alpha + a = -(g - a_0 sin alpha) tan alpha$]
#align(center)[$a_0 cos alpha + a = -g tan alpha + a_0 sin alpha tan alpha$]
#align(center)[$a_0(cos alpha - sin alpha tan alpha) = -g tan alpha - a$]
#align(center)[$a_0(cos alpha - sin^2 frac(alpha, cos alpha)) = -g tan alpha - a$]
#align(center)[$frac(a_0(cos^2 alpha - sin^2 alpha), cos alpha) = -g tan alpha - a$]
#align(center)[$a_0 frac(cos(2 alpha), cos alpha) = -g tan alpha - a$]
Без трения: $a_0 = -(g tan alpha + a) cos frac(alpha, cos(2 alpha)) = frac(-(g sin alpha + a cos alpha), cos(2 alpha))$
Если брусок скользит вниз $(a_0 gt 0)$, то $f = mu N$ направлена вверх по склону.
Система уравнений:
$cases(
m(a_0 cos alpha + a) = -N sin alpha - mu N cos alpha = -N(sin alpha + mu cos alpha) #text(" (1)"),
m(-a_0 sin alpha) = N cos alpha - mu N sin alpha - m g = N(cos alpha - mu sin alpha) - m g #text(" (2)")
)$
Из уравнения (2):
#align(center)[$N = frac(m(g - a_0 sin alpha), (cos alpha - mu sin alpha))$]
Подставляя в уравнение (1):
#align(center)[$m(a_0 cos alpha + a) = frac(-m(g - a_0 sin alpha)(sin alpha + mu cos alpha), cos alpha - mu sin alpha)$]
Упрощая:
#align(center)[$(a_0 cos alpha + a)(cos alpha - mu sin alpha) = -(g - a_0 sin alpha)(sin alpha + mu cos alpha)$]
Раскрывая скобки:
#align(center)[$a_0 cos alpha(cos alpha - mu sin alpha) + a(cos alpha - mu sin alpha) = -g(sin alpha + mu cos alpha) + a_0 sin alpha(sin alpha + mu cos alpha)$]
#align(center)[$a_0[cos alpha(cos alpha - mu sin alpha) - sin alpha(sin alpha + mu cos alpha)] = -g(sin alpha + mu cos alpha) - a(cos alpha - mu sin alpha)$]
#align(center)[$a_0[cos^2 alpha - mu sin alpha cos alpha - sin^2 alpha - mu sin alpha cos alpha] = -g(sin alpha + mu cos alpha) - a(cos alpha - mu sin alpha)$]
#align(center)[$a_0[cos^2 alpha - sin^2 alpha - 2mu sin alpha cos alpha] = -g(sin alpha + mu cos alpha) - a(cos alpha - mu sin alpha)$]
#align(center)[$a_0 cos(2 alpha) - 2 mu a_0 sin alpha cos alpha = -g(sin alpha + mu cos alpha) - a(cos alpha - mu sin alpha)$]
#align(center)[$a_0[cos(2 alpha) - mu sin(2 alpha)] = -g(sin alpha + mu cos alpha) - a(cos alpha - mu sin alpha)$]
#align(center)[$a_0 = frac(-[g(sin alpha + mu cos alpha) + a(cos alpha - mu sin alpha)], [cos(2 alpha) - mu sin(2 alpha)])$]
Знак $a_0$ определяет направление движения:
- $a_0 gt 0$: брусок скользит вниз по клину
- $a_0 lt 0$: брусок скользит вверх по клину
Если $|a_0|$ получается меньше предельного значения для трения покоя, нужно рассмотреть случай без проскальзывания.
При отсутствии проскальзывания $a_0 = 0$, и брусок движется вместе с клином:
- $A_X = a$
- $A_Y = 0$
Максимальная сила трения покоя: $f_max = mu N = mu m g cos alpha$
Условие отсутствия проскальзывания:
$|f| lt.eq mu N$, где $f$ определяется из уравнений равновесия.
*Ответ:*
Ускорение бруска относительно клина:
#align(center)[$a = frac(-[g(sin alpha + mu cos alpha) + a(cos alpha - mu sin alpha)], [cos(2 alpha) - mu sin(2 alpha)])$]
где:
- Положительное значение $a_0$ означает движение вниз по склону
- Знак определяется соотношением между ускорением клина, углом наклона и трением
Частные случаи:
1. При $a = 0$ (неподвижный клин): $a_0 = frac(-g(sin alpha + mu cos alpha), cos(2 alpha) - mu sin(2 alpha))$
2. При $mu = 0$ (без трения): $a_0 = frac(-(g sin alpha + a cos alpha), cos(2 alpha))$
3. При $alpha = 0 degree$ (горизонтальная поверхность): $a_0 = -a$ (брусок движется назад относительно клина)
#line(length: 100%)
=== Задача 12. Человек массой $m$ стоит на носу лодки массой $M$ и длиной $L$. На какое расстояние $S$ сместится лодка, если человек перейдет на корму. Система человек-лодка замкнута. Ее центр масс не может сместиться относительно земли.
\
*Решение:*
- Человек находится на носу лодки
- Пусть нос лодки находится в точке $x = a$ от центра масс
- Тогда корма лодки находится в точке $x = a - L$
- Центр лодки находится в точке $x = a - frac(L, 2)$
Центр масс системы должен быть в начале координат:
#align(center)[$m dot a + M dot (a - frac(L, 2)) = 0$]
Раскрывая скобки:
#align(center)[$m a + M a - frac(M L, 2) = 0$]
#align(center)[$a(m + M) = frac(M L, 2)$]
#align(center)[$a = frac(M L, [2(m + M)])$]
Это означает, что нос лодки первоначально находится на расстоянии $frac(M L, [2(m + M)])$ от центра масс системы.
- Человек теперь на корме лодки
- Пусть лодка сместилась на расстояние $S$ вправо сторону носа)
- Нос лодки теперь в точке $x = a + S$
- Корма лодки теперь в точке $x = a + S - L$
- Человек находится в точке $x = a + S - L$
Центр масс системы должен остаться в начале координат:
#align(center)[$m dot (a + S - L) + M dot (a + S - frac(L, 2)) = 0$]
Раскрывая скобки:
#align(center)[$m(a + S - L) + M(a + S - frac(L, 2)) = 0$]
#align(center)[$m a + m S - m L + M a + M S - frac(M L, 2) = 0$]
#align(center)[$(m + M)a + (m + M)S - m L - frac(M L, 2) = 0$]
Подставляем значение $a = frac(M L, [2(m + M)])$:
#align(center)[$(m + M) dot frac(M L, [2(m + M)]) + (m + M)S - m L - frac(M L, 2) = 0$]
#align(center)[$frac(M L, 2) + (m + M)S - m L - frac(M L, 2) = 0$]
#align(center)[$(m + M)S - m L = 0$]
#align(center)[$(m + M)S = m L$]
#align(center)[$S = frac(m L, (m + M))$]
*Ответ:*
Лодка сместится на расстояние: $S = frac(m L, (m + M))$ в сторону носа лодки.
#line(length: 100%)
=== Задача 13. Снаряд, выпущенный со скоростю $v_0 = 100 #text("м/с")$ под углом $alpha = 45 degree$ к горизонту разорвался в верхней точке траектории на 2 одинаковых осколка. Один осколок упал на землю прямо под точкой взрыва со скоростю $v_1 = 97 #text("м/с")$. С какой скоростью и на каком расстоянии от первого осколка упал на землю второй осколок?
\
*Решение:*
Компоненты начальной скорости:
- $v_0_x = v_0 cos 45 degree = frac(100, sqrt(2)) = 50 sqrt(2) #text("м/с") approx 70.7 #text("м/с")$
- $v_0_y = v_0 sin 45 degree = frac(100, sqrt(2)) = 50 sqrt(2) #text("м/с") approx 70.7 #text("м/с")$
В верхней точке траектории:
- Вертикальная компонента скорости: $v_y = 0$
- Горизонтальная компонента: $v_x = v_0_x = 50 sqrt(2) #text("м/с")$
- Скорость снаряда в момент взрыва: $v = 50 sqrt(2) #text("м/с")$ (горизонтально)
Высота верхней точки:
#align(center)[$H = frac(v_0_y^2, 2g) = frac((50 sqrt(2))^2, 2 dot 10) = frac(5000, 20) = 250 #text("м")$]
Время подъема до верхней точки:
#align(center)[$t_1 = frac(v_0_y, g) = frac(50 sqrt(2), 10) = 5 sqrt(2) #text("с")$]
- $m$ - масса каждого осколка (половина массы снаряда)
- $accent("v", arrow)$ - скорость снаряда перед взрывом
- $accent("v", arrow)_1$ - скорость первого осколка после взрыва
- $accent("v", arrow)_2$ - скорость второго осколка после взрыва
Закон сохранения импульса:
#align(center)[$2m dot accent("v", arrow) = m dot accent("v", arrow)_1 + m dot accent("v", arrow)_2$]
Упрощая: $2 accent("v", arrow) = accent("v", arrow)_1 + accent("v", arrow)_2$
Скорость снаряда перед взрывом:
#align(center)[$accent("v", arrow) = (50 sqrt(2), 0) #text("м/с")$]
Первый осколок упал под точкой взрыва, значит его горизонтальная скорость после взрыва равна нулю.
Пусть $v_1_y$ - вертикальная скорость первого осколка сразу после взрыва.
Время падения с высоты $H = 250 #text("м")$:
#align(center)[$H = v_1_y dot t_2 + frac(gt_2^2, 2)$]
При падении на землю: $v_1^2 = v_1_y^2 + (g t_2)^2$
Также: $v_1_y + g t_2$ = скорость при ударе о землю
Поскольку осколок падает вертикально: $v_1 = |v_1_y + g t_2| = 97 #text("м/с")$
Из кинематики свободного падения:
#align(center)[$v_1^2 = v_1_y^2 + 2 g H$]
#align(center)[$97^2 = v_1_y^2 + 2 dot 10 dot 250$]
#align(center)[$9409 = v_1_y^2 + 5000$]
#align(center)[$v_1_y^2 = 4409$]
#align(center)[$v_1_y = plus.minus 66.4 #text("м/с")$]
Поскольку $v_1 = 97 #text("м/с")$ направлена вниз, а начальная скорость $v_1_y$ может быть как вверх, так и вниз, проверим:
Если $v_1_y = -66.4 #text("м/с")$ (вниз), то время падения:
#align(center)[$250 = 66.4 t_2 + 5 t_2^2$]
#align(center)[$5t_2^2 + 66.4t_2 - 250 = 0$]
Решая квадратное уравнение: $t_2 approx 3.16 #text("с")$
Скорость при ударе: $v = 66.4 + 10 dot 3.16 = 66.4 + 31.6 = 98 #text("м/с") approx 97 #text("м/с") $
Скорость первого осколка после взрыва: $accent("v", arrow)_1 = (0, -66.4) #text("м/с") $
Из закона сохранения импульса:
#align(center)[$2 accent("v", arrow) = accent("v", arrow)_1 + accent("v", arrow)_2$]
#align(center)[$accent("v", arrow)_2 = 2 accent("v", arrow) - accent("v", arrow)_1$]
Компоненты:
- $v_2_x = 2 dot 50 sqrt(2) - 0 = 100 sqrt(2) #text("м/с") approx 141.4 #text("м/с")$
- $v_2_y = 2 dot 0 - (-66.4) = 66.4 #text("м/с")$
Скорость второго осколка после взрыва:
#align(center)[$v_2 = sqrt(v_2_x^2 + v_2_y^2) = sqrt((100 sqrt(2))^2 + 66.4^2) = sqrt(20000 + 4409) = sqrt(24409) approx 156.2 #text("м/с")$]
Направление: под углом $phi$ к горизонту
#align(center)[$tg phi = frac(v_2_y, v_2_x) = frac(66.4, 100 sqrt(2)) = frac(66.4, 141.4) approx 0.47$]
#align(center)[$phi approx 25.2 degree$]
Уравнение движения по вертикали:
#align(center)[$y = H + v_2_y dot t - frac(g t^2, 2) = 250 + 66.4 t - 5t^2$]
При падении на землю $y = 0$:
#align(center)[$250 + 66.4 t - 5 t^2 = 0$]
#align(center)[$5 t^2 - 66.4t - 250 = 0$]
Решая квадратное уравнение:
#align(center)[$t = frac(66.4 plus.minus sqrt(66.4^2 + 4 dot 5 dot 250), 10)$]
#align(center)[$t = frac(66.4 plus.minus sqrt(4409 + 5000), 10) = frac(66.4 plus.minus sqrt(9409), 10)$]
#align(center)[$t = frac(66.4 plus.minus 97, 10)$]
Берем положительный корень: $t = frac(66.4 + 97, 10) = 16.34 #text("с")$
Горизонтальное перемещение второго осколка:
#align(center)[$x_2 = v_2_x dot t = 100 sqrt(2) dot 16.34 approx 141.4 dot 16.34 approx 2311 м$]
Скорость второго осколка при ударе о землю:
- $v_2_x = 100 sqrt(2) #text("м/с") $ (не изменяется)
- $v_2_y_#text("конечная") = 66.4 - 10 dot 16.34 = 66.4 - 163.4 = -97 #text("м/с") $
Скорость при ударе:
#align(center)[$v__#text("удар") = sqrt((100 sqrt(2))^2 + 97^2) = sqrt(20000 + 9409) = sqrt(29409) approx 171.5 #text("м/с")$]
- Первый осколок: под точкой взрыва
- Второй осколок: на расстоянии $x_2 = 2311 #text("м")$ от точки взрыва
Полное расстояние от места выстрела до точки взрыва:
#align(center)[$x_#text("взрыв") = v_0_x dot t_1 = 50 sqrt(2) dot 5 sqrt(2) = 500 #text("м")$]
Расстояние между точками падения осколков:
#align(center)[$Delta x = x_2 = 2311 #text("м")$]
*Ответы:*
1. Скорость второго осколка при ударе о землю: $v_2 = 171.5 #text("м/с") $
2. Расстояние между точками падения осколков: $Delta x = 2311 #text("м") approx 2.31 #text("км")$
#line(length: 100%)
=== Задача 14. Пушка массой $M$ начинает свободно скользить вниз по гладкой, составляющей угол с горизонтом $alpha$. Когда пушка прошла путь $S$, произвели выстрел, в результате которого снаряд вылетел с импульсом $p$ в горизонтальном направлении, а пушка остановилась. Пренебрегая массой снаряда, найдите продолжительность выстрела.
\
*Решение:*
Ускорение пушки вниз по плоскости:
#align(center)[$a = g sin alpha$]
Скорость пушки в момент выстрела (после прохождения пути $S$):
#align(center)[$v_0^2 = 2 a S = 2 g S sin alpha$]
#align(center)[$v_0 = sqrt(2 g S sin alpha)$]
Начальное состояние (момент начала выстрела):
- Пушка движется со скоростью $v_0$ вниз по плоскости
- Импульс пушки: $accent("P", arrow)_#text("пушка") = M v_0$ (вниз по плоскости)
Конечное состояние (момент окончания выстрела):
- Пушка остановилась: $v_#text("пушка") = 0$
- Снаряд имеет импульс $p$ горизонтально
Рассмотрим проекции импульсов на направления вдоль и поперек наклонной плоскости.
Начальный импульс: $M v_0$
Конечный импульс пушки: $0$
Конечный импульс снаряда: $-p cos alpha$ (горизонтальный импульс $p$ проецируется на плоскость)
Закон сохранения импульса:
#align(center)[$M v_0 = 0 + (-p cos alpha)$]
#align(center)[$M v_0 = -p cos alpha$]
Во время выстрела на пушку действует:
1. Сила тяжести: $M g sin alpha$ (вниз по плоскости)
2. Сила отдачи от снаряда: $F_#text("отдача")$ (вверх по плоскости)
Изменение импульса пушки во время выстрела:
#align(center)[$Delta P_#text("пушка") = 0 - M v_0 = -M v_0$]
По второму закону Ньютона:
#align(center)[$Delta P_#text("пушка") = (F_#text("отдача") - M g sin alpha) Delta t$]
Следовательно:
#align(center)[$-M v_0 = (F_#text("отдача") - M g sin alpha) Delta t$]
Сила отдачи связана с импульсом снаряда:
#align(center)[$F_#text("отдача") Delta t = p cos alpha + M g sin alpha Delta t$]
Подставляя в уравнение движения пушки:
#align(center)[$-M v_0 = p cos alpha$]
Отсюда получаем:
#align(center)[$v_0 = frac(p cos alpha, M)$]
Приравнивая два выражения для $v_0$:
#align(center)[$sqrt(2 g S sin alpha) = frac(p cos alpha, M)$]
Из уравнения движения пушки во время выстрела:
#align(center)[$-M v_0 = (F_#text("отдача") - M g sin alpha) Delta t$]
Где $F_#text("отдача") = frac(p cos alpha, Delta t)$
Подставляя:
#align(center)[$-M frac(p cos alpha, M) = (frac(p cos alpha, Delta t) - M g sin alpha) Delta t$]
#align(center)[$-p cos alpha = p cos alpha - M g sin alpha Delta t$]
#align(center)[$-2p cos alpha = -M g sin alpha Delta t$]
#align(center)[$Delta t = frac(2p cos alpha, M g sin alpha)$]
Используя $v_0 = sqrt(2 g S sin alpha)$ и $v_0 = frac(p cos alpha, M)$:
#align(center)[$Delta t = frac(2 v_0, g sin alpha) = frac(2 sqrt(2 g S sin alpha), g sin alpha) = frac(2 sqrt(2S), g sqrt(sin alpha) dot sin alpha)$]
#align(center)[$Delta t = frac(2 sqrt(2S), g sin^(frac(3,2)) alpha)$]
*Ответ:* $Delta t = frac(2 sqrt(2S), g sin^frac(3, 2) alpha)$
#line(length: 100%)
=== Задача 15. Согласуется ли с принципами специальной теории относительности представление об электроне как о вращающемся вокруг своей оси однородном шарике массой $m = 9.11 dot 10^(-30) #text("кг")$ и радиуса $R = 2.82 dot 10^(-15) #text(" м")$ обладающем собственным моментом импульса $M = 0.913 dot 10^(-34) frac(#text("кг") dot #text("м")^2, #text("с"))$. (Вытекающее из квантовой теории и подтвержденное экспериментально значение собственного момента импульса электрона).
\
*Решение:*
Для однородного шара относительно оси, проходящей через центр:
#align(center)[$I = frac(2, 5)m R^2$]
Подставляем значения:
#align(center)[$I = frac(2, 5) dot 9.11 dot 10^(-30) dot (2.82 dot 10^(-15))^2$]
#align(center)[$I = frac(2, 5) dot 9.11 dot 10^(-30) dot 7.95 dot 10^(-30)$]
#align(center)[$I = frac(2, 5) dot 72.4 dot 10^(-60)$]
#align(center)[$I = 28.96 dot 10^(-60) = 2.90 dot 10^(-59) #text(" кг·м")^2$]
Из соотношения $M = I omega$ находим угловую скорость:
#align(center)[$omega = frac(M, I) = frac(0.913 dot 10^(-34), 2.90 dot 10^(-59))$]
#align(center)[$omega = 3.15 dot 10^{24} #text(" рад/с")$]
Линейная скорость точек на экваторе вращающегося шара:
#align(center)[$v = omega R = 3.15 dot 10^(24) dot 2.82 dot 10^(-15)$]
#align(center)[$v = 8.88 dot 10^(9) #text(" м/с")$]
Отношение полученной скорости к скорости света:
#align(center)[$frac(v, c) = frac(8.88 dot 10^9, 3 dot 10^8) = 29.6$]
*Результат: $v approx 30c$*
Согласно специальной теории относительности, никакая частица с ненулевой массой покоя не может двигаться со скоростью, равной или превышающей скорость света в вакууме.
Полученная скорость $v approx 30c$ грубо нарушает этот фундаментальный принцип СТО.
При скоростях, сравнимых со скоростью света, необходимо учитывать:
1. Релятивистское увеличение массы:
#align(center)[$m_#text("rel") = frac(m_0, sqrt(frac (1-v^2, c^2)))$]
При $v = 30c$ знаменатель становится мнимым, что физически бессмысленно.
2. Изменение момента инерции:
В релятивистском случае момент инерции также изменяется, что требует более сложного анализа.
Используемый в задаче радиус $R = 2.82 dot 10^(-15)$ м является классическим радиусом электрона, определяемым из условия:
#align(center)[$R_e = frac(e^2, 4 pi epsilon_0 m c^2)$]
Этот радиус имеет лишь историческое значение и не отражает реальный размер электрона.
- Спин электрона является внутренним квантовым свойством, не связанным с классическим вращением
- Это фундаментальная характеристика, аналогичная массе или заряду
- Спин не может быть объяснен в рамках классической механики
- Электрон ведет себя как точечная частица в экспериментах рассеяния
- Верхняя граница размера электрона: $< 10^(-18)$ м
- Магнитный момент электрона точно согласуется с квантовой электродинамикой
Представление об электроне как о вращающемся однородном шарике не согласуется с принципами специальной теории относительности.
Спин электрона является квантовомеханическим свойством, не имеющим классических аналогов. Это внутренняя степень свободы, которая проявляется в магнитных свойствах и статистике частиц, но не связана с механическим вращением в пространстве.
*Ответ:* нет, не согласуется.