The solution at revision #20130 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

2.4.1. Шарики массы каждый, связанные нитью, движутся по окружности с постоянной скоростью . Кинетическая энергия каждого шарика, равная , не меняется. Если перейти в систему отсчета, в которой середина нити движется в плоскости вращения прямолинейно со скоростью , энергия каждого из шариков меняется от нуля до . Какая причина вызывает такое изменение энергии? Изменяется ли в указанной системе отсчета суммарная кинетическая энергия?

Решение

 Относительные скорости в инерциальной системе отсчета
Относительные скорости в инерциальной системе отсчета
  1. Разберемся, почему меняется энергия одного шарика.
    В исходной системе отсчета (связанной с центром нити) шарик движется по окружности. Скорость шарика всегда перпендикулярна силе натяжения нити . Мощность силы натяжения в этой системе отсчета равна нулю:

    Поэтому кинетическая энергия шарика не меняется.

Перейдем в новую систему отсчета, которая движется с постоянной скоростью (по модулю ).
По закону сложения скоростей, скорость шарика в новой СО равна .
Мощность силы натяжения в новой СО:

Так как , получаем:

Поскольку вектор силы натяжения постоянно вращается, угол между и постоянным вектором меняется. Следовательно, скалярное произведение отлично от нуля и меняет знак. Сила натяжения нити в новой системе отсчета совершает работу, что и приводит к колебаниям кинетической энергии каждого отдельного шарика.

  1. Выясним, меняется ли суммарная кинетическая энергия.
    Для нахождения полной кинетической энергии системы в новой СО удобнее всего воспользоваться теоремой Кёнига: кинетическая энергия системы равна сумме кинетической энергии движения центра масс и кинетической энергии относительного движения системы вокруг центра масс.
    отнобщцм

В нашем случае:

  • Относительная кинетическая энергия (в СО центра нити) постоянна: отн
  • Общая масса системы: общ
  • Скорость центра масс (середины нити) в новой СО по условию постоянна и равна : цм.

Подставляем в формулу:

Как видно, итоговое выражение не содержит переменных, зависящих от времени или угла поворота. Суммарная кинетическая энергия системы в новой системе отсчета строго постоянна во времени.

Примечание: изменение энергии каждого шарика происходит в противофазе, так как мощности сил натяжения равны и . Поскольку нить невесома, , откуда следует, что суммарная мощность внутренних сил . Работа просто перераспределяет энергию между шариками.

Ответ

  1. В движущейся системе отсчета сила натяжения нити совершает работу над каждым шариком.
  2. Суммарная кинетическая энергия не изменяется.