Решения задач М2682—М2685; Ф2689—Ф2692
19
ЗАДАЧНИК
подъема таких бумажных шариков. Ускорение свободного падения на поверхности Луны м , а на поверхности Земли м . С какой установившейся скоростью будет падать вблизи поверхности Земли такой комок бумаги, отпущенный с большой высоты? Подсказка. Сила сопротивления воздуха (вблизи поверхности Земли) пропорциональна квадрату скорости шарика, плотности воздуха ( 1,2 кг и поперечному сечению шарика. Безразмерный коэффициент в выражении для этой силы равен 0,24 (если все остальные величины выражены в единицах СИ). На пачке листов такой бумаги написано: 500 листов 210 мм u 297 мм, 80 г . С.Шариков
Ф2702. Для того чтобы штыковой лопатой (рис. 1) копать канаву, Вася (его масса
Рис. 1
80 кг) давит ногой на наступ (верхняя часть полотна лопаты, изогнутая под прямым углом), и к моменту остановки лопаты 50% его веса приходится на этот наступ. При этом полотно лопаты погружается (врезается) в грунт на полштыка – это примерно 15 см. Для отрыва срезанного грунта от поверхности лопаты требуется совершить еще примерно такую же работу, какая нужна, чтобы вогнать штык в грунт. Толщина отрезанного «ломтя» составляет в среднем 5 см. Оцените работу, которую нужно совершить, чтобы выкопать яму в форме куба с ребром a 1,5 м. Грунт имеет среднюю плотность U 1,5 г . Какая часть этой работы потребуется для разрушения цельности грунта, а какая на подъем «ломтя» на уровень краев ямы? Лопату будем считать невесомой. В.Лопатин
«КВАНТА»
Ф2703. Воздух в цилиндре можно изотермически сжимать с помощью легкой длинной проб- Рис. 2 ки (рис. 2) до тех пор, пока длина столба воздуха в цилиндре не станет равной l 3 (при большем сжатии пробка выталкивается из цилиндра по прекращении действия силы). После такого максимального сжатия воздух в цилиндре медленно нагревают. До какой минимальной температуры нужно нагреть воздух, чтобы пробка полностью вышла из цилиндра? Начальная температура атмосферного воздуха К. Считайте, что максимальная сила трения, действующая на пробку, прямо пропорциональна глубине ее погружения в сосуд. Силу тяжести можно не учитывать. В.Манукян
Ф2704. Прямая пластиковая трубка с прозрачными стенками, открытая с двух концов, имеет круглое внутреннее поперечное сечение. Держа трубку вертикально, один из ее концов окунули в ведро с ртутью и в этом положении нижнее отверстие трубки заткнули пробкой. Ртуть стенки трубки не смачивает. Затем трубку, сохраняя ее вертикальное положение, подняли, и в ней остался столбик ртути длиной a 20 см. Держа открытый конец трубки над ведром, трубку медленно перевернули на 180q, и теперь открытый ее конец оказался над поверхностью ртути. Столбик ртути так и остался вблизи конца трубки (теперь верхнего). Внешнее атмосферное давление 760 мм рт. ст., коэффициент поверхностного натяжения ртути V 0,4 Дж плотность ртути U 13600 кг . Какова длина трубки L и каким мог быть максимальный диаметр D внутреннего отверстия трубки? В.Ртутный
Решения задач М2682–М2685, Ф2689–Ф2692 M2682. Даны шесть действительных чисел . Для каждой тройки различных чисел из этих
34
КВАН T 2022/№4
ственно равны 112,5q и 22,5q. Докажите, что в этом треугольнике высота AH, медиана BM и биссектриса CP пересекаются в одной точке. Доказательство. Пусть высота AH и биссектриса CP пересекаются в точке Q (рис. 12). Покажем, что и медиана BM
Рис. 10
лемме о трех биссектрисах KP – вторая внешняя биссектриса. Отсюда построение: соединяем точки A, K, P. Пусть AKP D. Через точку K под углом D к KP проводим прямую t, которая пересекает луч AP в вершине B. У нас есть KAB 180 q A. Тогда есть и угол A. Через вершину A под углом, равным A, к стороне AB проводим луч. Он пересекает прямую t в недостающей вершине C. Задача 10 (Л.Кэрролл). На сторонах AC и AB треугольника ABC постройте точки F и N такие, чтобы отрезок FN был параллелен стороне BC и при этом выполнялось равенство BN CF BC. Решение. Пусть такие точки F и N построены и пусть также FN || BC, x y a (рис. 11). Анализ показывает, что если най-
Рис. 11
ти на BC такую точку T, что CT y, то BT x. Поскольку ’ CFT равнобедренный ( CF CT y ), то 1 2. Но 2 3 (внутренние накрест лежащие при параллельных прямых FN и BC). Аналогично, 4 5 ( BN BT x ) и 5 6 ( FN || BC ). Тогда FT и NT – две внешние биссектрисы в ’ AFN. Согласно лемме, AT совпадает с внутренней биссектрисой угла A в треугольнике AFN. Переходим к построению. Проводим биссектрису AT в ’ ABC. На стороне CA откладываем отрезок CF CT, а на стороне BA – отрезок BN BT. Соединяем F и N. Отрезок FN – искомый. Задача 11. В треугольнике ABC величины углов при вершинах A и B соответ-
Рис. 12
проходит через Q. Из ’ AHB имеем HAB 90 q 22,5 q 67,5 q. Продолжим CA за точку A. Тогда DAB 180 q 112,5 q 67,5 q. В ’ AHC отрезок CP совпадает с внутренней биссектрисой, AB – с внешней. Значит, по лемме о трех биссектрисах, HP – вторая внешняя биссектриса и AHP BHP 45 q. Но и ACB 45 q ( 180 q 112,5 q 22,5 q ). Следовательно, APHC – трапеция. По так называемой лемме о трапеции (точка пересечения диагоналей, точка пересечения продолжений боковых сторон и середины оснований любой трапеции лежат на одной прямой) луч BQ проходит через середину AC – точку M. А это и означает, что высота AH, медиана BM и биссектриса CP пересекаются в одной точке – точке Q. Задача 12 (Д.Швецов). Биссектрисы AL и BK прямоугольного треугольника ABC ( C 90 q ) пересекаются в точке I, Q – центр описанной окружности треугольника CKL. Докажите, что QI A AB. Доказательство. Так как ’ KCL – прямоугольный, то точка Q – середина KL. Проведем KN A AB и LT A AB (рис. 13). Очевидно, CK KN и CL LT (любая точка биссектрисы равноудалена от сторон). Тогда
Рис. 13
36
КВАН T 2022/№4
Рис. 2
Рис. 1
он приблизителен и не точен. Теперь вы, как хороший послушный школьник, рисуете все силы (рис. 1,а), пишите уравнения: «сумма сил по горизонтали», «сумма сил по вертикали» и «сумма моментов относительно центра тяжести» равны нулю. И – о ужас – у вас есть три уравнения и четыре неизвестных. У составителей задач есть способ бороться с этой ситуацией – «придушить» одно неизвестное, в данном случае объявить, что трение в верхней точке контакта отсутствует: коэффициент трения P 0 (рис. 1,б). Естественно, это отключает одну из сил, но где вы видели стену без трения? Кстати, очевидно, что если объявлять P 0 в нижней точке, то это может быть опасно для жизни. Эта задача – одна из многих «статически неопределимых задач». Так называют задачи статики, в которых количество неизвестных больше количества уравнений. В школе обычно рассматривают плоские задачи статики – всего лишь потому, что картинки к ним легко рисовать на плоской поверхности: на бумаге, доске или экране. В таких задачах уравнений три – два про сумму сил вдоль осей координат и одно про сумму моментов. На досуге подумайте, сколько уравнений будет для трехмерной задачи статики. Понятно, что в реальной жизни что бы с телами ни делали, как бы их ни располагали, все силы в итоге приобретают какие-то значения. «Нерешаемость» этих задач возникает потому, что мы чем-то пренебрегли, а для решения нужно это «что-то» учесть. Но имейте в виду – если мы это «что-то» учтем и задача получит свое решение, то это будет означать, что мы решили данную задачу лишь в данном приближении. В нашем случае «что-то» – это деформации элементов системы. При рассмотрении какой-либо другой задачи или даже при увеличении требо-
Рис. 3
Рис. 4
ваний к точности решения может понадобиться учесть что-то еще. Рассмотрим простой пример, а потом вернемся к нашей лестнице. Пусть балка висит на двух тросах и нужно найти их натяжения (рис. 2). Задача тривиальна: горизонтальных сил нет, так что уравнений два и неизвестных тоже два. Приделываем третий трос (рис. 3) и… наступает караул. Попробуем учесть деформации – но чьи? Деформации тросов в школе подчиняются закону Гука, а деформацию балки в школе не посчитать. Поэтому ограничимся тросами, их деформация показана на рисунке 4 условно в виде пружин. У нас прибавится шесть известных величин: начальные длины и коэффициенты в законе Гука, три неизвестных: итоговые длины и три уравнения: зависимость длин веревок от натяжений, т.е. уравнения закона Гука, но не в виде F kx, а в виде , где – начальная длина, N – сила натяжения, k – коэффициент жесткости. Однако нам как не хватало одного уравнения, так не хватает и сейчас. Не видите ли вы на рисунке еще одно уравнение? Уравнения этого типа называют уравнениями совместимости деформаций. Действительно, деформации элементов конструкции как-то связаны, размеры элементов конструкции не могут быть произвольными. Например, если точки закрепления тросов на балке лежали на одной прямой, то они и будут лежать на одной прямой, а если деформации невелики, то тросы параллельны и итоговые длины связаны тривиальным уравнением. Это и будет седьмое уравнение, которого нам не хватало. Задачу можно решить и при больших деформациях, просто решение будет длиннее. Можно рассмотреть и широкий диапазон начальных длин и коэффициентов жесткости, причем в этом случае можно написать программу, которая будет подвешивать балку на тросах прямо на экране и показывать нам поведение при варьировании исходных величин.
39
ОЛ И МП И А Д Ы
если все его стороны равны и все его углы равны.) К.Кноп
-
(8) Верно ли, что из любого выпуклого четырехугольника можно вырезать три уменьшенные вдвое копии этого четырехугольника? А.Юран
-
(9) У каждого из девяти натуральных чисел n, 2n, 3n,…, 9n выписали первую слева цифру. Может ли при некотором натуральном n среди девяти выписанных цифр быть не более четырех различных? А.Толпыго
-
(9) Коллекция Саши состоит из монет и наклеек, причем монет меньше, чем наклеек, но хотя бы одна есть. Саша выбрал некоторое положительное число t! 1 (не обязательно целое). Если он увеличит количество монет в t раз, не меняя количества наклеек, то в его коллекции будет 100 предметов. Если вместо этого он увеличит количество наклеек в t раз, не меняя количества монет, то у него будет 101 предмет. Сколько наклеек могло быть у Саши? Найдите все возможные ответы и докажите, что других нет. А.Галочкин
-
(9) Некоторые клетки доски 100 u 100 покрашены в черный цвет. Во всех строках и столбцах, где есть черные клетки, их количество нечетно. В каждой строке, где есть черные клетки, поставим красную фишку в среднюю по счету черную клетку. В каждом столбце, где есть черные клетки, поставим синюю фишку в среднюю по счету черную клетку. Оказалось, что все красные фишки стоят в разных столбцах, а синие фишки — в разных строках. Докажите, что найдется клетка, в которой стоят и синяя, и красная фишки. Б.Френкин
-
(10) Среди любых пяти узлов обычной клетчатой бумаги обязательно найдутся два, середина отрезка между которыми — тоже узел клетчатой бумаги. А какое минимальное количество узлов сетки из правильных шестиугольников (рис. 3) необходимо взять, чтобы
Рис. 3
среди них обязательно нашлось два, середина отрезка между которыми — тоже узел этой сетки? А.Кулыгин
-
(10) Дан многочлен степени 2022 с целыми коэффициентами и со старшим коэффициентом 1. Какое наибольшее число корней он может иметь на интервале 0;1? А.Канель-Белов
-
(11) В декартовой системе координат (с одинаковым масштабом по осям x и y) нарисовали график показательной функции . Затем ось y и все отметки на оси x стерли. Остались лишь график функции и ось x без масштаба и отметки 0. Каким образом с помощью циркуля и линейки можно восстановить ось y? М.Евдокимов
-
(11) Звездолет находится в полупространстве на расстоянии a от его границы. Экипаж знает об этом, но не представляет, в каком направлении двигаться, чтобы достигнуть граничной плоскости. Звездолет может лететь в пространстве по любой траектории, измеряя длину пройденного пути, и имеет датчик, подающий сигнал, когда граница достигнута. Может ли звездолет гарантированно достигнуть границы, преодолев путь длиной не более 14a? М.Евдокимов
-
(11) В выпуклом 12-угольнике все углы равны. Известно, что длины каких-то десяти его сторон равны 1, а длина еще одной равна 2. Чему может быть равна площадь этого 12-угольника? М.Евдокимов
-
(11) В равнобедренной трапеции проведена диагональ. По контуру каждого из получившихся двух треугольников ползет свой жук. Скорости движения жуков постоянны и одинаковы. Жуки не меняют направления обхода своих контуров, и по диагонали трапеции они ползут в разных направлениях. Докажите, что при любых начальных положениях жуков они когда-нибудь встретятся. П.Бородин
Публикацию подготовил Н.Панюнин