无动力风帽又叫球形通风器,是屋顶常见的一种通风设备。一风帽如图所示,它会在自然风的推动下绕其竖直中心轴旋转。在其边缘某处粘有一块质量为$m$的橡皮泥,过橡皮泥所处的位置的一条切线竖直,橡皮泥到中心轴的距离为$l$。某段时间内,风帽做匀速圆周运动,在时间$t$内发现风帽旋转了$n$圈。重力加速度大小为$g$。求:$(1)$橡皮泥向心加速度的大小;$(2)$风帽对橡皮泥作用力的大小。
的有关信息介绍如下:(1)设橡皮泥随风帽一起运动的角速度为$\omega $,则$ω=\frac{2nπ}{t}$,橡皮泥的向心加速度$a_{n}=\omega ^{2}l=(\frac{2nπ}{t})^{2}l=\frac{4{n}^{2}{π}^{2}l}{{t}^{2}}$;
$(2)$橡皮泥运动时的向心力$F_{n}=m\omega ^{2}l$,
对橡皮泥受力分析可知:风帽对橡皮泥的作用力$F=\sqrt{(mg)^{2}+{F}_{n}^{2}}$
联立解得:$F=m\sqrt{{g}^{2}+\frac{16{π}^{4}{n}^{4}{l}^{2}}{{t}^{4}}}$
答:(1)橡皮泥向心加速度的大小为$\frac{4{n}^{2}{π}^{2}l}{{t}^{2}}$;
$(2)$风帽对橡皮泥作用力的大小为$m\sqrt{{g}^{2}+\frac{16{π}^{4}{n}^{4}{l}^{2}}{{t}^{4}}}$。