Một con lắc lò xo gồm lò xo độ cứng k = 25 N / m ma sát giữa vật m và sàn có thể bỏ qua. Vật M khối lượng 200 g được nối với vật m bằng một sợi dây nhẹ, dài và không dãn như hình vẽ. Hệ số ma sát trượt giữa M và sàn là 0,25. Lúc đầu vật được giữ ở vị trí lò xo dãn 10 cm (trong giới hạn đàn hồi), sợi dây căng. Thả nhẹ vật m để hệ chuyển động. Lấy g = 10 m / s 2 . Tính từ thời điểm lò xo bị nén mạnh nhất lần đầu tiên, tốc độ cực đại của vật m là
A. 54,8 cm/s
B. 42,4 cm/s
C. 28,3 cm/s
D. 52,0 cm/s
Đáp án D
Để đơn giản ta có thể chia quá trình chuyển động của vật thành 3 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Hệ hai vật m và M dao động điều hòa chịu tác dụng thêm của lực ma sát
→ Trong giai đoạn này vật dao động quanh vị trí cân bằng tạm O ' , tại vị trí này lực đàn hồi của lò xo cân bằng với lực đàn hồi, khi đó lò xo giãn một đoạn O O ' = Δ l 0 = μ M g k = 0 , 25.0 , 2.10 25 = 2 c m
Biên độ dao động của vật là A 1 = 10 − 2 = 8 c m , tốc độ góc ω 1 = k M + m = 25 0 , 3 + 0 , 2 = 5 2 r a d / s
→ Tốc độ của hai vật khi đến vị trí O ' : v = v 1 m a x = ω 1 A 2 = 5 2 .8 = 40 2 c m / s
Giai đoạn 2: Hệ hai vật tiếp tục dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng O ' cho đến khi dây bị chùng và vật m tách ra khỏi vật M
Tại vi trí vật m tách ra khỏi vật M dây bị chùng, T = 0 → với vật M ta có F m s t = M ω 1 2 x → x = μ g ω 1 2 = 0 , 25.10 5 2 2 = 5 c m
→ Tốc độ của vật m tại vị trí dây chùng v 02 = ω 1 A 1 2 − x 2 = 5 2 8 2 − 5 2 = 5 78 c m / s
Giai đoạn 3: Khi tách ra khỏi vật M , m dao động điều hòa quanh vị trí lò xo không biến dạng O
Tần số góc trong giai đọan này ω 2 = k m = 25 0 , 3 = 5 30 3 r a d / s
→ Biên độ dao động trong giai đoạn này A 2 = x 02 2 + v 02 ω 2 2 = 3 2 + 5 78 5 30 3 2 = 9 10 5 c m
Giai đoạn 4: Con lắc do động điều hòa ổn định không với biên độ A = A 2 và một chịu tác dụng của vật M
→ Tốc độ cực đại v 2 m a x = ω 2 A 2 = 5 30 3 9 10 5 = 30 3 ≈ 52 , 0 c m / s
Chú ý:
Ta để ý rằng khi vật m đi qua khỏi vị trí cân bằng tạm O ' thì tốc độ có xu hướng giảm, ngay lập tức dây chùng → vật m sẽ tiếp tục dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng O → tốc độ lại có xu hướng tăng do đó trong giai đoạn từ O ' đến O dây vẫn được giữ căng
