Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok
Informatika rovattal
Kiadja a MATFUND Alapítvány
Már regisztráltál?
Új vendég vagy?
FizikaMintamegoldás

A P. 5645. fizika feladat megoldása

Szerk

P. 5645. Egy motoros \(\displaystyle 36~\mathrm{km}/\mathrm{h}\) sebességgel hajt be egy félkör alakú, ,,visszafordító'' kanyarba. Az aszfalt és a kerekek közötti tapadási súrlódási együttható \(\displaystyle 0{,}58\). A motoros mindvégig egy \(\displaystyle 40~\mathrm{m}\) sugarú köríven tartja járművét (pontosabban a motor és a motoros közös tömegközéppontját), és közben végig egyenletesen növeli annak sebességét.

a) Legfeljebb hány \(\displaystyle \mathrm{m}/\mathrm{s}\)-mal növelheti a motoros másodpercenként a sebességét?

b) Mekkora sebességre gyorsulhat fel a versenyző a kanyar végére?

c) Hogyan változik a motoros függőlegessel bezárt szöge a kanyarban?

(5 pont)

Közli: Kis Tamás, Heves

Megoldás. A motorosra függőleges irányban az \(\displaystyle mg\) nehézségi erő és a talaj \(\displaystyle N\) nyomóereje, vízszintes irányban pedig az \(\displaystyle S\) tapadási súrlódási erő hat. A függőleges erők eredője nulla, a vízszintes erő biztosítja a motor \(\displaystyle a\) gyorsulását. A motor akkor nem csúszik meg, ha

$$\begin{gather*} ma=S\leq\mu N=\mu mg,\\ a\leq\mu g.\tag{1} \end{gather*}$$

a) és b) Az \(\displaystyle r\) sugarú körpályán mozgó motoros gyorsulása két, egymásra merőleges komponensre bontható: az érintőirányú \(\displaystyle a_{\mathrm{t}}\) komponens a feladat szövege szerint állandó, a centripetális gyorsulás viszont a sebesség növekedésével nő, hiszen

\(\displaystyle a_{\mathrm{cp}}=\frac{v^2}{r}. \)

A motoros gyorsulása a két komponens eredője, ennek nagysága:

\(\displaystyle (2) \)\(\displaystyle a=\sqrt{a_{\mathrm{t}}^2+a_{\mathrm{cp}}^2},\)

amely így akkor lesz a legnagyobb, amikor a sebesség a legnagyobb, tehát a ,,visszafordító kanyar'' végén. Legyen ekkor a motoros sebessége \(\displaystyle v\). A \(\displaystyle v_0\) kezdősebességről egyenletesen gyorsuló motoros átlagsebessége:

\(\displaystyle v_\textrm{átl}=\frac{v+v_0}{2}, \)

az \(\displaystyle s=r\pi\) hosszúságú körív megtételéhez szükséges idő:

\(\displaystyle t=\frac{s}{v_\textrm{átl}}=\frac{2r\pi}{v+v_0}. \)

A motoros érintőirányú gyorsulása:

\(\displaystyle (3) \)\(\displaystyle a_{\mathrm{t}}=\frac{\Delta v}{t}=\frac{v-v_0}{t}=\frac{(v-v_0)(v+v_0)}{2r\pi}=\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi},\)

a teljes gyorsulása pedig (2) alapján:

\(\displaystyle a=\sqrt{\left(\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi}\right)^2+\left(\frac{v^2}{r}\right)^2}. \)

Az (1) feltétel szerint

$$\begin{gather*} a^2\leq(\mu g)^2,\\ \left(\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi}\right)^2+\left(\frac{v^2}{r}\right)^2\leq(\mu g)^2,\\ \frac{v^4-2v_0^2v^2+v_0^4}{4r^2\pi^2}+\frac{v^4}{r^2}\leq\mu^2g^2,\\ (1+4\pi^2)v^4-2v_0^2v^2+v_0^4-4r^2\pi^2\mu^2g^2\leq 0. \end{gather*}$$

Határesetben ez \(\displaystyle v^2\)-re egy másodfokú egyenlet. A numerikus adatokat behelyettesítve és megoldva, majd a pozitív megoldásból gyököt vonva:

\(\displaystyle v_{\mathrm{max}}\approx 15~\mathrm{m}/\mathrm{s}, \)

amiből (3) alapján a maximális érintőirányú gyorsulás (a ,,másodpercenkénti sebességnövelés maximális értéke''):

\(\displaystyle a_{\mathrm{t,max}}=\frac{v_{\mathrm{max}}^2-v_0^2}{2r\pi}\approx 0{,}5~\mathrm{m}/\mathrm{s}^2. \)

c) A motorosra a hozzá rögzített gyorsuló vonatkoztatási rendszerben tehetetlenségi erők is hatnak. A motoros bedőlése szempontjából a pályájára merőleges centrifugális erőnek van szerepe. Az ábrán látható, hogy a talajjal való érintkezési pontra vonatkoztatva a \(\displaystyle G=mg\) nehézségi erőnek és az \(\displaystyle F_{\mathrm{cf}}=m\tfrac{v^2}{r}\) centrifugális erőnek van forgatónyomatéka (az \(\displaystyle O\) ponton átmenő, a nyomóerőből és a súrlódási erőből összetevődő \(\displaystyle K\) kényszererőnek nincs).

Feltéve, hogy a folyamatosan változó sebességgel a bedőlés szöge is folyamatosan és aránylag lassan változik (a teljes kanyart \(\displaystyle t\approx 10~\mathrm{s}\) alatt teszi meg a motoros), a forgatónyomatékok egyensúlyát írjuk fel:

\(\displaystyle mg\ell\sin\alpha=m\frac{v^2}{r}\ell\cos\alpha, \)

ahol \(\displaystyle \ell\) a tömegközéppont távolsága az érintkezési ponttól és \(\displaystyle \alpha\) a motoros függőlegessel bezárt szöge. Ebből a keresett szög a sebesség függvényében:

\(\displaystyle \alpha=\arctg\frac{v^2}{gr}. \)

Ez a szög a teljes visszakanyarodás közben fokozatosan \(\displaystyle \alpha_{\mathrm{min}}=\arctg\tfrac{v_0^2}{gr}\approx 14^\circ\) értékről \(\displaystyle \alpha_{\mathrm{max}}=\arctg\tfrac{v^2}{gr}\approx 30^\circ\) értékre növekszik.

Ujpál Bálint (Miskolci Herman O. Gimn., 12. évf.)

Megjegyzések. 1. Eredményeink nem függenek a tömegközéppont magasságától és a rendszer tömegétől.

2. Az ábrán csak a motoros haladási irányára merőleges síkban ható erőket ábrázoltuk. A sebességét növelő motorra a haladási irányába is hat súrlódási erő, a motoros vonatkoztatási rendszerében pedig azzal ellentétes irányba egy \(\displaystyle ma_{\mathrm{t}}\) nagyságú tehetetlenségi erőt is figyelembe kell vennünk. Ennek az erőnek a forgatónyomatéka a motort hátra akarja dönteni, amit a két kerékre ható eltérő nyomóerők forgatónyomatéka egyenlít ki. (Ha a gyorsulás nagyon nagy, akkor az első kerék meg is emelkedhet.) Ennek vizsgálatát azonban a feladat nem kéri, és a motor geometriai adatainak – a kerekek távolságának és a tömegközéppont magasságának – ismerte nélkül nem is tudnánk számításokat végezni.

25 dolgozat érkezett. Helyes Ujpál Bálint megoldása. Kicsit hiányos (3–4 pont) 9, hiányos (1–2 pont) 10, hibás 5 dolgozat.

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. októberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. szeptemberi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

A LapLegfrissebb szám

A KöMaL 2025. novemberi száma

FizikaMintamegoldás

A P. 5679. fizika feladat megoldása

P. 5679. Vízszintes talajon súrlódásmentesen mozoghat egy \(\displaystyle M\) tömegű, lapos felületű, kezdetben álló kiskocsi, amelynek egyik végén egy \(\displaystyle m=M/2\) tömegű, kicsiny hasáb helyezkedik el. A kiskocsi \(\displaystyle \ell=24~\mathrm{cm}\) hosszú, a rajta lévő hasáb és a kiskocsi között a súrlódási együttható \(\displaystyle \mu=0{,}2\).

a) Legfeljebb mekkora \(\displaystyle v_0\) sebességgel lökhetjük meg a kicsiny hasábot, hogy ne essen le a kiskocsiról?

b) Mekkora lesz a kiskocsi és a hasáb sebessége abban a pillanatban, amikor a hasáb lerepül a kiskocsiról, ha \(\displaystyle v_1=2v_0\) sebességgel lökjük meg a hasábot?

Közli: Wiedemann László, Budapest

FizikaMintamegoldás

A P. 5680. fizika feladat megoldása

P. 5680. Amikor a \(\displaystyle 30^\circ\)-os hajlásszögű, vízszintes síkban folytatódó domboldalt mindenütt hó borította, Peti szokatlan módját választotta a szánkózásnak: az emelkedő aljától számított \(\displaystyle 5~\mathrm{m}\) távolságból különböző kezdősebességgel indult el.

a) Mekkora kezdősebesség esetében áll meg leghamarabb a szánkó?

b) Milyen hosszú utat tett meg felfelé az emelkedőn ebben az esetben a szánkó?

A szánkó pályája egybeesett a domboldal esésvonalával. A lejtő töréspontmentesen csatlakozik a vízszintes felülethez. A szánkó és a hó között a súrlódás elhanyagolható.

Tornyai Sándor fizikaverseny, Hódmezővásárhely

A LapMegrendelés

A KöMaL megrendelése

A KöMaL egy példányának ára 2025. szeptembertől 1600 Ft, előfizetése 1 évre 12500 Ft – BJMT tagoknak 12000 Ft.

PontversenyVersenykiírás

Versenykiírás a KöMaL 2025–2026. évi pontversenyeire

Azok is figyelmesen olvassák el a Versenykiírást, akik tavaly már részt vettek versenyünkben.

Idén is matematikából, fizikából és informatikából indítunk versenyeket. Egyénileg, illetve csapatban is lehet versenyezni, a versenyek 9 hónapon keresztül, 2025. szeptemberétől 2026. június elejéig tartanak. Minden hónapban új feladatokat tűzünk ki, és a megoldásokat a következő hónap elejéig küldheted be. A verseny végeredményét a 2026. szeptemberi számunkban hirdetjük ki. A díjakat jövő ősszel, a KöMaL Ifjúsági Ankéton adjuk át.

FizikaMintamegoldás

A G. 907. fizika gyakorlat megoldása

G. 907. Az egyenletes tömegeloszlású, \(\displaystyle m=0{,}7~\mathrm{kg}\) tömegű, \(\displaystyle ABC\) szabályos háromszög alakú lemez \(\displaystyle A\) csúcsa az ábra szerint csuklóval csatlakozik a függőleges falhoz. A háromszög vízszintes \(\displaystyle AB\) oldalának \(\displaystyle B\) végpontját egy fonál köti össze a fallal. A fonál a vízszintessel \(\displaystyle \varphi=60^\circ\)-os szöget zár be.

a) Mekkora erő ébred a fonálban?

b) Mekkora nagyságú, és milyen irányú erővel terheli a háromszöglemez a csuklót?

Közli: Zsigri Ferenc, Budapest