A 2001. évi Eötvös-verseny
Radnai Gyula, a Versenybizottság elnöke
2001. október 19-én rendezte meg az Eötvös Loránd Fizikai Társulat
(ELFT) immár 85 éves múltra visszatekintő, hagyományos őszi fizikai
tanulóversenyét, az Eötvös-versenyt.
A versenyen részt vehettek a 2001-ben érettségizettek, valamint a
középiskolások. Délután 3h-tól este 8h-ig
zajlott a verseny. Minden, az önálló munkához szükséges segédeszközt
(magukkal hozott könyveket, jegyzeteket, zsebszámológépet)
használhattak a versenyzők a feladatok megoldásához. Budapesten kívül
14 vidéki városban lehetett megírni a dolgozatot. Összesen 200
dolgozat érkezett be a Versenybizottsághoz, közülük 91-et Budapesten,
19-et Pécsett, 15-öt Szegeden, 12-t Debrecenben, 9-et Veszprémben,
5-öt Miskolcon írtak a versenyzők. A nem egyetemi városok közül
Nagykanizsán írták a legtöbb (14) dolgozatot, de elég sok dolgozat
(13) érkezett Békéscsabáról is. Szekszárdon 9-en, Sopronban 6-an,
Székesfehérváron 3-an, Egerben 2-en adtak be dolgozatot. Sajnos
Győrből és Nyíregyházáról csupán 1--1 dolgozat érkezett, Szombathelyen
pedig senki se indult a versenyen.
Ismertetjük a feladatokat, a helyes megoldásokat és a verseny
eredményét.
1. Két egyforma ólomgömböt egy-egy sík mentén két-két
részre vágunk; egyiket az a), másikat a b) ábra
szerint. A vágási felületeket hajszálvékony szigetelő
réteggel látjuk el, utána a részeket újra teljes gömbbé
egyesítjük. Ezután mindkét gömb bal oldali részére ugyanakkora,
kicsiny Q töltést viszünk.

Ábrázoljuk mindkét esetben a gömb körül kialakuló erővonalképet!
(A két gömb messze van egymástól, kölcsönhatásuk
elhanyagolható.)
(Károlyházy Frigyes)
Megoldás. Mind az a), mind a b) esetben a bal
oldali gömbszeletre vitt Q töltés a jobb oldali
gömbszeleten töltésmegosztást hoz létre. Ha q-val jelöljük a
Q töltésnek azt a részét, amely a feltöltött gömbszelet
sík felületű részén helyezkedik el, akkor a jobb oldali gömbszelet sík
felületére -q töltés vándorol, hiszen a két egymás melletti
síkfelület síkkondenzátort képez (1. ábra).

1. ábra
Vajon mekkora lesz q, és hogyan oszlanak el a töltések a
gömb külső felületén? A választ pl. az energiaminimum elvéből
kaphatjuk meg. Eszerint egyensúlyi helyzetben a töltések úgy
helyezkednek el a vezetők felületén, hogy a rendszer teljes
elektrosztatikus energiája a lehető legkisebb legyen. Jelen esetben a
síkkondenzátor energiája (a szigetelőréteg hajszálvékony volta miatt)
elhanyagolhatóan kicsi, a rendszer energiája tehát a gömbön kívüli
elektrosztatikus mező energiájával egyezik meg. Ez az energia nyilván
ugyanolyan töltéseloszlásnál lesz minimális, mint amilyen a Q
töltéssel feltöltött eredeti (szétvágatlan) gömb esetében, vagyis az
ismert egyenletes töltéseloszlásnál.
Más módon is érvelhetünk. Külön-külön mindkét gömbszelet
potenciálja állandó, mivel elektrosztatikában a fém bármilyen alakú is
legyen, mindig ekvipotenciális, s a belsejében a térerősség mindig
zérus. Mennyi most a két fém-gömbszelet közti potenciálkülönbség?
U=E.d,
ahol E a két síkfelület közötti térben az elektromos
térerősség, d pedig a síkfelületek távolsága. A feladat
szövege szerint ez a távolság ,,hajszálvékony'', vagyis majdnem zérus,
E pedig q-val arányos, tehát nem lehet ,,nagyon
nagy''. Ezek szerint a U potenciálkülönbség is majdnem zérus, azaz
elhanyagolhatóan kicsi. Ebben a (jogos) közelítésben a teljes
gömbfelület potenciálja ugyanakkora. Egyetlen gömbön az
U=állandó feltétel csak egyetlen felületi töltéseloszlás
mellett valósulhat meg adott Q esetén. Ez az eloszlás a jól
ismert gömbszimmetrikus töltéseloszlás, amikor a felületi
töltéssűrűség
Az egyenletes felületi töltéssűrűséghez tartozó elektromos
térerősség a gömbön belül (a ,,síkkondenzátor'' belsejét leszámítva)
zérus, a gömbön kívül pedig az ismert Coulomb-féle erőtér, nagysága a
középponttól r távolságban
A gömbön kívül kialakuló erővonalkép tehát jó közelítéssel a
2. ábrán látható lesz.

2. ábra
Megjegyzés: A feladatot 11 versenyző oldotta meg jól, ezen
kívül még három versenyző adott be a b) kérdésre helyes
megoldást. Két megoldónak{\footnote}Bartos Imre (Budapest) és Siroki
László (Debrecen) jutott eszébe a középen félbevágott gömb esetére az
alábbi szellemes megoldás:
Először adjunk mindkét félgömbnek Q/2 töltést, azután adjunk
a bal oldalinak Q/2, a jobb oldalinak pedig -Q/2
töltést! E két állapot ,,egyesítéséből'' (szuperpozíciójából)
előállítható a feladatban megadott állapot. Ez a szuperpozíció
egyrészt a töltésekre, másrészt az erőtérre is vonatkozik, tehát:

2. Egy henger alakú zárt tartály fekvő helyzetben
egyenletesen forog (vízszintes) hossztengelye körül, 0,5/s
fordulatszámmal. A tartály 100 kg homokot
tartalmaz, belső átmérője és hossza egyaránt 1 m, fala
érdes.
Becsüljük meg, mennyivel növekszik a homok hőmérséklete
10 perc alatt, ha a falon keresztül elszökő hőmennyiséget
elhanyagoljuk!
(Károlyházy Frigyes)
Megoldás. Ha a henger elég lassan forog (a feladatban
2 másodperc alatt fordul körbe, s ez elég lassúnak tekinthető),
akkor a homok a hengerben valamennyire ,,felmászik'' a forgás
irányának megfelelő oldalon, és közelítőleg egy hengerszelet
térfogatát tölti ki.
A hőmérséklet változását a homok tömege, fajhője és a rajta
végzett súrlódási munka ismeretében tudnánk meghatározni: T=Wsúrl./c.m.
A homok tömege adott (m=100 kg), fajhőjét táblázatból
(a hozzá hasonló anyagok, pl. a kvarcüveg vagy a porcelán adatainak
felhasználásával) J/(kgoC) egységekben 700--800 közötti
értékre becsülhetjük.
A homok mozgásának részletes leírása (és ennek ismeretében a
súrlódási munka kiszámítása) reménytelenül bonyolult feladat
lenne. Szerencsére erre nincs szükség! Elegendő azt észrevenni, hogy
az egyenletesen forgatott hengerben a homok előbb-utóbb állandósult
(stacionárius) állapotba kerül. A homok egyes darabkái mozognak
(áramlanak) ugyan, de a homok egésze olyan alakot vesz fel, amelynek
határa időben nem változik. Emiatt a homok tömegközéppontja mindig
ugyanott, a henger forgástengelyétől vízszintes irányban valamekkora
k távolságra helyezkedik el (lásd az ábrát!).

A homok belső energiájának növekedése (azaz a súrlódási erők
munkája) nyilván megegyezik a henger egyenletes forgatása során
végzett munkával, ez utóbbi pedig a hengerre kifejtendő
mg.k forgatónyomatéknak és a henger 
szögelfordulásának szorzatával egyenlő:
A tíz perc alatti szögelfordulás:
 = t=2 n t=2 .0,5 s-1.600 s=1885 rad.
A nehézségi erő:
Hátra van még a nehézségi erő k karjának
kiszámítása. Becsüljük meg először a tömegközéppont és a forgástengely
rtkp távolságát! Felhasználjuk, hogy egy nyílásszögű
hengerszelet térfogata
Jelen esetben h=10 dm, r=5 dm, így
V=m/ 60-65 dm3.
(A homok sűrűsége nyilván a homok minőségétől,
nedvességtartalmától, összetételétől stb. is függ, de mindenképpen
kisebb, mint a tömör kvarc táblázatban megtalálható
2,65 kg/dm3-es sűrűsége.) Ezekből az adatokból és
becslésekből  90o, illetve rtkp 4 dm
adódik.
Vajon hogyan helyezkedik el a homokkal kitöltött hengerszelet síkja
a henger tengelyén átmenő függőleges síkhoz képest? Mindennapi
tapasztalatból (homokozó, homokóra) tudjuk, hogy a (száraz) homokból
kb. 45o-os ,,rézsűszög'' alakítható ki, ezért jogosan
tekinthetjük úgy, hogy a jelen esetben is az állandósult mozgású
homokgörgeteg legfelső pontja a henger tengelyével kb. azonos
magasságba kerül, s emiatt a keresett erőkar
k rtkp.sin45o 2,8 dm,
a súrlódási munkára pedig mintegy 520 J-t kapunk. Ezt
felhasználva és a homok fajhőjét 800 J/(kgoC)-nak véve
kapjuk:
T 6,5 oC.
Mivel a homok sűrűsége és fajhője is mintegy 10%-ra határozatlan
mennyiség, a homok dinamikus rézsűszöge is rejt ekkora
bizonytalanságot, helyesnek tekinthetünk minden olyan becslést, amely
mintegy 20%-kal tér el T fenti értékétől, vagyis 5 és 8 oC
közé esik.
Megjegyzések. 1. A feladat megoldása során összesen
57 versenyző jutott el odáig, hogy konkrét numerikus becslést
tudott adni a hőmérséklet emelkedésére. Ezek a becslések széles
határok között változtak, a legkisebb 0,0009 oC volt,
a legnagyobb 44,65 oC. T=5--8 oC-os
intervallumba eső értéket összesen 10 versenyző kapott, tehát
ennyien oldották meg elfogadhatóan a feladatot.

2. Érdemes a feladatban leírt jelenséget kísérletileg is
tanulmányozni. (A fényképen látható berendezést, amely a
feladatban szereplő összeállítás kicsinyített mása, a verseny
eredményhirdetésén láthattuk.) Gyorsabb forgás esetén nagyon sok
érdekes részlet figyelhető meg a homokszemek ,,kollektív
mozgásában''. Ezek vizsgálata ma is aktuális kutatási feladat a
fizikusok számára.
3. Egy eldőlt rajzszög fekszik az enyhén lejtős
asztallapon. Ha oldalról kissé meglökjük, ide-oda billeg, de nem
csúszik meg. a)
Mekkora stabil egyensúlyi helyzetben a fej, illetve a tű által
kifejtett erők asztalra merőleges komponenseinek aránya! b)
Mekkora frekvenciával billeg (kis kitérések esetén) a rajzszög
az egyensúlyi helyzete körül?

Az egyszerűség kedvéért tételezzük fel, hogy a rajzszög feje
homogén körlap, tűjének tömege a fejhez képest elhanyagolható, és a tű
hegye a billegés során nem mozdul el az asztallapon.
Adatok: A körlap sugara R=6 mm, a tű hossza
l=8 mm, az asztal lejtése =5o.
(Radnai Gyula)
Az a) kérdés sztatikai jellegű: egy merev test egyensúlyát
kell tanulmányoznunk. Szerencsére az összes fellépő erő egyetlen
síkban (az ábra síkjában) van, ezért könnyen felrajzolható
(1. ábra).

1. ábra
Jelölések: N1 illetve N2
az asztalra merőleges nyomóerők, S'1 illetve
S'2 a rajzszögre ható tapadási súrlódási erők,
mg (a rajzszög tömegközéppontjában ható) nehézségi erő,
k1, k2 és k3 a
tömegközéppont távolsága a nyomóerők hatásvonalától, valamint az
asztal síkjától.
A rajzszög fejét képező körlap sugara (R), a tű hossza
(l) és az asztallap lejtése ( ) adott, ezek függvényében kell az
N1/N2 arányt meghatároznunk. Írjuk
fel a merev test egyensúlyának feltételeit!
1. Ezt alkalmazva például az
asztallappal párhuzamos összetevőkre:
S'1+S'2=mgsin ;
az asztallapra merőleges összetevőkre pedig
N1+N2=mgcos .
A fenti két egyenletből:
2. Ez a feltétel jelen esetben csak egy összefüggést
ad:
N1k1=N2k2+(S'1+S'2)k3.
Behelyettesítve S'1+S'2 előbb
kiszámított értékét:
ahonnan
(Természetesen ugyanilyen jó, ha valaki
N2/N1 0,47-et
határozza meg, illetve bármilyen más helyes úton jut a jó
végeredmények valamelyikéhez.)
A b) kérdés dinamikai jellegű, s azért nehezebb, mert nem
lehet síkbeli problémára visszavezetni. A rajzszög billegése nem
síkmozgás, nem ,,fizikai inga''.
Készítsünk térbeli ábrát a ferde asztallapon kissé (balra)
kilendített rajzszögről ( 2. ábra)!
Jelölések: K a tömegközéppont; S'1
és S'2 most is a tűn átmenő függőleges síkba esnek;
S1 a körlapra érintő irányban ható súrlódási erő;
S2 a tű hegyére ható súrlódási erőnek a tűre
merőleges összetevője; a kitérés szöge (a rajzszög tűjének
asztalra merőleges vetülete és a ,,lejtvonal'' által bezárt szög).
 |  | | 2. ábra | 3. ábra |
A súrlódási erők mind egy síkba (az asztallap síkjába) esnek,
nagyságuk változik a billegés során. A tömegközéppont pályája
viszonylag egyszerű, egy körív, amelynek síkja párhuzamos az
asztallap síkjával. E körív r sugara és a körív síkjának
az asztallaptól mért h távolsága kiszámítható (
3. ábra):
(Most még nem tudjuk, hogy szükség lesz-e ezekre az adatokra, de
feladatmegoldás közben mindig megnyugtató, ha már valamit ki tudunk
számítani. Önbizalmat ad a továbbiakhoz.)

4. ábra
Vegyünk fel egy ábrát a tömegközéppont pályájának (az asztallappal
párhuzamos) síkjában (4. ábra)! Itt, a pálya síkjában a
K tömegközéppont mozgását a nehézségi erőnek ebbe a síkba eső
mgsin összetevője ,,vezérli''; ezt kell felbontanunk a pálya
érintője irányába mutató, illetve sugár irányú komponensekre.
Ha a kitérés szöge kicsi, a fonálingához hasonlóan itt is
feltételezhetjük, hogy a sugár irányú gyorsulás elhanyagolható:
acp 0. Így a K tömegközéppont gyorsulása jó
közelítéssel érintő irányú, s az r sugár
szöggyorsulásával egyszerűen kifejezhető:
atkp=r .
Most már nekiláthatunk a dinamikai feladat alapvető összefüggései,
a mozgásegyenletek felírásához. Három mozgásegyenletünk lesz:
{\noindent}
1. Gyorsul a rajzszög tömegközéppontja:
vagyis
2. Gyorsulva forog a rajzszög feje a tű körül:
vagyis
ahol
| (2) |  |
3. Gyorsulva elfordul a rajzszög fejének síkja a fej
középpontján, valamint a fej és az asztal érintkezési pontján áthaladó
tengely körül:
vagyis
ahol
| (3) |  |
A megoldás további része már csak egyenletrendezés. Kifejezve
S1-et (2)-ből és S2-t (3)-ból,
behelyettesíthetjük ezeket (1)-be:
ahonnan átrendezések után
Kicsiny szögekre sin  , tehát itt egy
=- 2
alakú összefüggést kaptunk, ami körfrekvenciájú harmonikus rezgésnek
felel meg.
A rajzszög (kis kitérésű) billegésének körfrekvenciája tehát
és ha ebbe behelyettesítjük -et, akkor
A megadott számadatokkal a körfrekvencia 9,02 s-1,
a frekvencia 1,44 s-1, a periódusidő pedig T 0,7 s lesz.
Megjegyzések: 1. A b) kérdésre csak egyetlen teljes
megoldás érkezett{\footnote}Pozsgay Balázs (Budapest) dolgozata, ez
sem dinamikai, hanem energetikai meggondolásokkal operált, ami persze
ugyanolyan helyes. Rajta kívül még négy olyan versenyző volt, aki a
körlap síkjának elfordulását elhanyagolta ugyan, de egyébként hibátlan
megoldást adott. Érdemes azt is megemlíteni, hogy az a)
kérdésre 82 versenyző (az indulók több, mint 40 százaléka) adott
elvileg és numerikusan is helyes megoldást.
2. A merev testek forgómozgásának általánosan érvényes egyenlete az
perdületvektor
időbeli változási sebességével fogalmazható meg:
A perdületvektor változása egyrészt a szögsebesség változásából
adódik, másrészt abból, hogy a merev test egésze elfordul, emiatt a
tehetetlenségi nyomatéka az inerciarendszerből nézve időben
változik. Ez utóbbiból származó perdületváltozás a szögsebesség
négyzetével arányos, jelen feladatnál tehát kis kitérések esetén
figyelmen kívül hagyható. A forgómozgás dinamikai egyenlete ebben
a közelítésben valóban alakba
írható, s ennek a vektoregyenletnek különböző komponenseit tartalmazza
(2) és (3).
3. Az összefüggésben
szereplő tehetetlenségi nyomaték nem skalár, hanem irányfüggő,
ún. tenzor mennyiség. A merev testeknek csak bizonyos kitüntetett
tengelyei (az ún.{\} főtengelyei) körüli forgáskor igaz az, hogy a
perdületvektor és a szögsebességvektor párhuzamos
egymással. A homogén korong egyik főtengelye a síkjára merőleges
szimmetriatengelye (erre vonatkoztatott
tehetetlenségi nyomaték az ismert
mR2/2). A korong átmérői is főtengelyek, a
hozzájuk tartozó szimmetriamegfontolások és a tehetetlenségi nyomatékot
definiáló összefüggés szerint . Ezek az eredmények
integrálszámítással is megkaphatók.
4. A szöggyorsulások közötti speciális '=r /R, illetve ''=r /l
összefüggések a csúszásmentes gördülés feltételéből és térbeli
geometriai megfontolásokból kaphatók meg.
A verseny végeredménye
Összevont I--II. díjat (s vele 7--7 ezer Ft pénzjutalmat)
kaptak a következők: Nagy Ádám, a BME mérnök-fizikus
hallgatója, aki a budapesti Szent István Gimnáziumban érettségizett
mint Moór Ágnes tanítványa; Pápai Tivadar, a barcsi
Dráva Völgye Középiskola 12. évf. tanulója, Horváth Ferenc
tanítványa; Pozsgay Balázs, az ELTE fizikus hallgatója, aki a
pécsi Magyar-német Nyelvű Iskolaközpontban érettségizett és Kotek
László tanítványa volt; Siroki László, a debreceni Fazekas
Mihály Gimnázium 12. évf. tanulója, Simon Gyula és
Szegedi Ervin tanítványa; Tóth Sándor, a csongrádi
Batsányi János Gimnázium 11. évf.{\} tanulója, Szucsán
András és Hilbert Margit tanítványa; Varjú Péter, a
SZTE matematikus hallgatója, aki a szegedi Radnóti Miklós Gimnáziumban
érettségizett mint Dudás Zoltánné tanítványa.
III. díjat (s vele 4--4 ezer Ft pénzjutalmat) kaptak a
következők: Bartos Imre, az ELTE fizikus hallgatója, aki a
budapesti Móricz Zsigmond Gimnáziumban érettségizett mint Részeg
Anna tanítványa; Borbély Sándor, a kolozsvári
Babe{\c}s--Bolyai Tudományegyetem fizika szakos hallgatója, aki a
marosvásárhelyi Bolyai Farkas Elméleti Líceumban érettségizett mint
László József tanítványa; Nagy Márton, a budapesti
Piarista Gimnázium 12. évf. tanulója, Futó Béla
tanítványa; Novák Zoltán, a BME műszaki informatika szakos
hallgatója, aki a zalaegerszegi Zrínyi Miklós Gimnáziumban
érettségizett mint Vadvári Tibor tanítványa.
Dicséretet kaptak a következők: Balogh László, a
Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnázium 11. évf. tanulója,
Horváth Gábor tanítványa; Béky Bence, a Fazekas Mihály
Fővárosi Gyakorló Gimnázium 12. évf. tanulója, Horváth
Gábor tanítványa; Bori János Ferenc, a BME műszaki
informatika szakos hallgatója, aki a budapesti Puskás Tivadar
Távközlési Technikumban érettségizett mint Alapiné Ecseri Éva
tanítványa; Kalcsú Áron, a zalaegerszegi Zrínyi Miklós
Gimnázium 11. évf. tanulója, Pálovics Róbert tanítványa;
Karaszi Mihály, a BME mérnök-fizikus hallgatója, aki a kalocsai
Szent István Gimnáziumban érettségizett mint Szőke Imre
tanítványa; Rácz Béla András, a Fazekas Mihály Fővárosi
Gyakorló Gimnázium 10. évf. tanulója, Horváth Gábor
tanítványa; Szekeres Balázs, a szolnoki Verseghy Ferenc
Gimnázium 11. évf. tanulója, Lapu Béla tanítványa.
2001. november 23-án délután került sor az ünnepélyes
eredményhirdetésre. Ennek során a Versenybizottság elnöke
megemlékezett Bakos Tiborról (1909--1998), aki 75 évvel
ezelőtt nyerte meg mind a fizikai, mind a matematikai versenyt (akkor
a matematikai versenyt hívták Eötvös-versenynek, a fizikait pedig
Károly Irén versenynek), s aki még 1996-ban jelen volt a díjak
átadásánál. A feladatok megoldásának ismertetését azokat
illusztráló kísérleti bemutató, majd az eredmények kihirdetése
követte. A díjakat Gyulai József akadémikus, az ELFT elnöke adta
át.

A 2001. évi Eötvös-verseny nyertesei
Alsó sor: (balról jobbra): Nagy Ádám,
Pozsgay Balázs, Varjú Péter, Tóth Sándor,
Siroki László és Pápai Tivadar.
Középső sor: Nagy Márton, Bartos Imre, Novák Zoltán és
Borbély Sándor.
Felső sor: Rácz Béla András, Kalcsú Áron, Bori János, Balogh
László, Szekeres Balázs és Karaszi Mihály.
A díjakhoz társuló jutalmakat az ELFT, illetve az Oktatási
Minisztérium biztosította, a Nemzeti Tankönyvkiadó pedig valamennyi
díjazott, illetve dicséretet kapott versenyzőt 3--3 ezer forintos
könyvutalványban részesítette.
Az eredményhirdetés végén a nyertes versenyzők megjelent tanárai
válogathattak a Nemzeti Tankönyvkiadó, a Műszaki Kiadó és a Typotex
Kiadó által számukra felajánlott könyvekből.
|