\$2.1.65^*.\$ Конькобежец на ледяной дорожке старается пройти вираж как можно ближе к внутренней бровке. Велосипедист на велотреке, наоборот, проходит
вираж возможно дальше от внутренней бровки. Как объяснить это различие в
тактике прохождения виража? Профиль велотрека все круче по мере удаления
от внутренней его бровки.
Решение:
Конькобежцу сообщает центростремительное ускорение сила трения о лед
$\vec{F}_{тр}= \mu \vec{N}$,
где $\vec{N}$ — сила нормальной реакции льда (рис. а).
Так как конькобежец не перемещается в вертикальном направлении, то сила $\vec{N}$ равна по модулю действующей на конькобежца силе тяжести $M \vec{g}$.
Поэтому
$F_{тр}=\mu mg$
$\frac{mv^{2}}{R}=\mu mg$.
Отсюда
$v=\sqrt{\mu gR}$.
Делая поворот, конькобежец проходит расстояние
$S= \pi R$
за время
$t=\frac{s}{v}=\pi \sqrt{\frac{R}{\mu g}}\\;(1)$
Чем больше радиус окружности, по которой движется конькобежец, тем больше это время.
Хотя с увеличением радиуса поворота растет максимальная скорость конькобежца, еще больше увеличивается проходимое им расстояние: в то время как скорость пропорциональна $\sqrt{R}$, пройденное расстояние пропорционально $R$.
Именно поэтому конькобежец и старается пройти поворот как можно ближе к внутренней бровке.
Теперь рассмотрим движение велосипедиста на наклонном треке. Ему центростремительное ускорение сообщает равнодействующая силы трении $\bar{F}_{тр}$ и силы $\vec{N}$ реакции опоры (рис. б).
Спроектировав эти силы на ось $X$, получаем:
$F_{тр} \cos \alpha + N \sin \alpha = \frac{mv^{2}}{R}\\;(2)$
Так как в вертикальном направлении велосипедист не перемещается, то сумма проекций на ось $Y$ всех сил, действующих на велосипедиста, равна нулю:
Эта скорость зависит не только от радиуса окружности, и от угла наклона трека к горизонту. При том профиле трека, который показан на рисунке б, угол наклона не меняется.
Если $\alpha = \alpha_{0} = arctg \\: (1/ \mu)$, то максимальная скорость движения велосипедиста принимает бесконечное значение. Это значит, что скорость велосипедиста может быть любой.
Время, необходимое велосипедисту для того, чтобы пройти поворот радиуса $R$, определяется так:
Если велосипедист проходит поворот дальше от бровки, то меняется не только радиус поворота, но и угол $α$ наклона трека к горизонту. Благодаря этому уменьшается время прохождения поворота.
Ответ: $M= m \frac{tg\\,\alpha}{tg\\,\beta-tg\\,\alpha}$