Условие
2.4.35. В сферической чаше радиуса $R$ удерживают гантель в положении, когда один из шариков находится на дне чаши, а затем отпускают. Какое количество теплоты выделится к моменту, когда гантель прекратит свое движение из-за малого трения между чашей и гантелью? Длина гантели $l$ , масса каждого шарика $m$ .
Для задачи $2.4.35$
Решение
Из рисунка:
$$R\cos\alpha = \frac{l}{2}$$
Следовательно,
$$\cos\alpha = \frac{l}{2R}$$
Вертикальная высота второго шарика:
$$h_0=\frac{l^2}{2R}$$
Потенциальная энергия системы:
$$E_{p0} = mg\cdot 0 + mgh_0$$
$$E_{p0} = mgh_0$$
Из геометрии:
$$h'+h=R$$
где $h'$ можно найти как
$$h' = R\sin\alpha$$
Из рисунка:
$$\sin\alpha = \sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}$$
Тогда
$$h' = R \sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}$$
Следовательно,
$$h = R-h' = R\left(1-\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}\right)$$
Потенциальная энергия системы в конечном положении:
$$E_p = 2mgh$$
$$E_p = 2mgR\left(1-\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}\right)$$
Количество выделившейся теплоты:
$$Q = E_{p0} - E_p$$
$$Q = \frac{mgl^2}{2R} - 2mgR\left(1-\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}\right)$$
После математических преобразований получаем:
$$Q = 2mgR\left(1-\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}\right)\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}$$
Ответ
$$Q=2mgR\left(1-\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}\right)\sqrt{1-\frac{l^2}{4R^2}}$$