Question Number 224144 by mr W last updated on 23/Aug/25

Commented by mr W last updated on 23/Aug/25

$${find}\:{the}\:{normal}\:{force}\:\boldsymbol{{N}}\:{between}\: \\ $$$${two}\:{solid}\:{cylinders}\:{with}\:{masses} \\ $$$$\boldsymbol{{m}}_{\mathrm{1}} ,\:\boldsymbol{{m}}_{\mathrm{2}} \:{and}\:{radii}\:\boldsymbol{{r}}_{\mathrm{1}} ,\:\boldsymbol{{r}}_{\mathrm{2}} \:{respectively} \\ $$$${which}\:{rest}\:{inside}\:{an}\:{other}\:{thin}\: \\ $$$${walled}\:{hollow}\:{cylinder}\:{with}\:{radius} \\ $$$$\boldsymbol{{R}}\:{as}\:{shown}.\: \\ $$$${all}\:{contact}\:{surfaces}\:{are}\:{frictionless}. \\ $$
Answered by mr W last updated on 24/Aug/25

Commented by mr W last updated on 24/Aug/25

$${say}\:\mu_{\mathrm{1}} =\frac{{m}_{\mathrm{1}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} },\:\mu_{\mathrm{2}} =\frac{{m}_{\mathrm{2}} }{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} } \\ $$$${AD}=\frac{{m}_{\mathrm{2}} ×{AB}}{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }=\mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right) \\ $$$${DB}=\frac{{m}_{\mathrm{1}} ×{AB}}{{m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} }=\mu_{\mathrm{1}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} ={CD}^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow{CD}=\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{sin}\:\theta}{{DB}}=\frac{\mathrm{sin}\:\beta}{{CD}} \\ $$$$\Rightarrow\frac{\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{sin}\:\beta}=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)}{{CD}} \\ $$$$\frac{{N}}{\mathrm{sin}\:\theta}=\frac{{m}_{\mathrm{2}} {g}}{\mathrm{sin}\:\beta} \\ $$$$\Rightarrow{N}=\frac{{m}_{\mathrm{2}} {g}\:\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{sin}\:\beta} \\ $$$$\frac{{N}}{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right){g}}=\frac{\mu_{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{sin}\:\beta} \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)}{{CD}} \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)}{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} }{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left(\frac{{R}−{r}_{\mathrm{1}} }{{r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left(\frac{{R}−{r}_{\mathrm{2}} }{{r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\Rightarrow{N}=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right){g}}{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left(\frac{{R}−{r}_{\mathrm{1}} }{{r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left(\frac{{R}−{r}_{\mathrm{2}} }{{r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\frac{{N}_{\mathrm{1}} }{\left({m}_{\mathrm{1}} +{m}_{\mathrm{2}} \right){g}}=\frac{\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{sin}\:\left(\alpha+\beta\right)}=\frac{\mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{sin}\:\beta}{\mathrm{sin}\:\beta\:\mathrm{sin}\:\left(\alpha+\beta\right)} \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mu_{\mathrm{1}} {AB}}{{CD}}×\frac{{AC}}{{AB}}=\frac{\mu_{\mathrm{1}} {AC}}{{CD}} \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)}{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\Rightarrow{N}_{\mathrm{1}} =\frac{\left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right){m}_{\mathrm{1}} {g}}{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${similarly} \\ $$$$\Rightarrow{N}_{\mathrm{2}} =\frac{\left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right){m}_{\mathrm{2}} {g}}{\:\sqrt{\mu_{\mathrm{1}} \left({R}−{r}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} +\mu_{\mathrm{2}} \left({R}−{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −\mu_{\mathrm{1}} \mu_{\mathrm{2}} \left({r}_{\mathrm{1}} +{r}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }} \\ $$
Commented by mr W last updated on 24/Aug/25

Commented by fantastic last updated on 24/Aug/25

$${Sir}\:{how}\:{did}\:{you}\:{draw}\:{this}? \\ $$$${it}\:{looks}\:{very}\:{accurate} \\ $$
Commented by mr W last updated on 26/Aug/25

$${i}\:{don}'{t}\:{have}\:{or}\:{use}\:{any}\:{special}\: \\ $$$${technique}\:{or}\:{equipment},\:{except}\:{one} \\ $$$${of}\:{my}\:{fingers}. \\ $$
Commented by fantastic last updated on 24/Aug/25

$${SERIOUSLY}?? \\ $$$${I}\:{think}\:{it}\:{will}\:{take}\:{me}\:{a}\:{lot}\:{of} \\ $$$${time}\:{to}\:{master}\:{inkredible}\:{like}\:{you} \\ $$