Szerk
P. 5660. Egy pontszerűnek tekinthető, \(\displaystyle m\) tömegű, átfúrt golyó az ábra szerint egy \(\displaystyle R\) sugarú, vízszintes átmérőjű, függőleges síkú, félkör alakú, rögzített, merev drótra van fűzve, amelyen súrlódásmentesen csúszhat. A golyóhoz egy vékony fonál van kötve, amely a drót \(\displaystyle C\) végén lévő, kicsiny csigán van átvetve. A fonál másik végéhez egy ugyancsak \(\displaystyle m\) tömegű nehezék van erősítve. A bal oldali golyót a fonál vízszintes helyzetéből lökésmentesen elengedjük, amikor a fonál \(\displaystyle \alpha=0^\circ\)-os szöget zár be a vízszintes átmérővel.
a) Mekkora sebességgel mozognak a testek, amikor a bal oldali test a drótpálya legalsó pontján halad át?
b) Mekkora a testek gyorsulása ebben a pillanatban?
(6 pont)
Közli: Zsigri Ferenc, Budapest
Megoldás. a) A dróton mozgó golyó adatait jelölje 1-es, a fonálon függő testét 2-es index. A mechanikai energia megmaradását felírva a kezdeti és a vizsgált állapot között:
\(\displaystyle mgR+mg(2-\sqrt{2})R=\frac{1}{2}mv_1^2+\frac{1}{2}mv_2^2. \)
A kényszerfeltétel (a fonál nyújthatatlansága miatt) a vizsgált pillanatban:
\(\displaystyle v_2=\frac{v_1}{\sqrt{2}}, \)
ezt beírva az energiaegyenletbe és rendezve:
b) A testre ható erők az ábrán láthatók.
A 2-es test mozgásegyenlete:
Ha az 1-es test mozgását az \(\displaystyle O\) pont körül vizsgáljuk (amelytől a távolsága időben nem változik), akkor a centripetális gyorsulása:
\(\displaystyle a_{\mathrm{cp},O}=\frac{v_1^2}{R}. \)
Az erre felírt mozgásegyenlet:
Ha a test mozgását a \(\displaystyle C\) ponthoz viszonyítva nézzük, akkor a \(\displaystyle C\) pont irányába egyrészt (a fonál nyújthatatlansága miatt) \(\displaystyle a_2\) gyorsulással mozog, másrészt a fonál elfordulása miatt centripetális gyorsulása is van:
\(\displaystyle a_{\mathrm{cp},C}=\frac{\left(\frac{v_1}{\sqrt{2}}\right)^2}{\sqrt{2}R}=\frac{v_1^2}{2\sqrt{2}R}. \)
Ezt felhasználva a mozgásegyenlet:
Az (1) egyenletet beírva (3)-ba, majd abból (2) \(\displaystyle \sqrt{2}\)-ed részét kivonva, és rendezve:
\(\displaystyle K=\frac{2}{3}mg-\frac{mv_1^2}{3\sqrt{2}R}, \)
majd az a) részből \(\displaystyle v_1\) kifejezését behelyettesítve:
\(\displaystyle K=\frac{10-6\sqrt{2}}{9}mg. \)
Az 1-es test gyorsulásának két komponense van. A tangenciális gyorsulás a mozgásegyenlet alapján:
\(\displaystyle a_{\mathrm{t}}=\frac{K}{\sqrt{2}m}=\frac{5\sqrt{2}-6}{9}g\approx 0{,}119~g, \)
a centripetális gyorsulása pedig
\(\displaystyle a_{\mathrm{cp},O}=\frac{v_1^2}{R}=\frac{4(3-\sqrt{2})}{3}g\approx 2{,}11~g. \)
Ezekből az 1-es test keresett gyorsulása:
\(\displaystyle a_1=\sqrt{a_{\mathrm{t}}^2+a_{\mathrm{cp},O}^2}\approx 2{,}12~g. \)
A 2-es test gyorsulása pedig (1) alapján:
\(\displaystyle a_2=g-\frac{K}{m}=\frac{6\sqrt{2}-1}{9}g\approx 0{,}832~g. \)
Ujvári Sarolta (Budapesti Fazekas M. Gyak. Ált. Isk. és Gimn., 11. évf.) dolgozata alapján
15 dolgozat érkezett. Helyes 3 megoldás. Hiányos (1–4 pont) 11, hibás 1 dolgozat.
A KöMaL levelezős versenyei azon kevesek közé tartoznak, amelyek ingyenesek – immár több mint 130 éve! Sajnos azonban a KöMaL állami támogatásának rendszere az elmúlt évben jelentősen átalakult, a következő években az előre látható bevételeink várhatóan nem tudják fedezni a költségeinket.
Ezért kérünk mindenkit, aki szereti a KöMaL-t, létezését fontosnak tartja, hogy lehetőségéhez mérten támogassa a KöMaL-t kiadó MATFUND Alapítványt. Ha teheti, rendelkezzen adója 1%-áról az Alapítvány javára. Ezen kívül pedig, ha saját vagy céges lehetőségei megengedik, támogassa a KöMaL kiadását, a KöMaL tudáskincsének gondozását!
A KöMaL kiadásának, a versenyek teljes lebonyolításának, díjazásának és a díjkiosztóval egybekötött Ifjúsági Ankétok szervezésének költségeit 2007 óta a MATFUND Középiskolai Matematikai és Fizikai Alapítvány fizeti.
Kérjük, személyi jövedelemadója 1%-ának felajánlásával álljon a több, mint 125 éve alapított Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok mellé!
P. 5706. Homogén tömegeloszlású vékony vasrúdból \(\displaystyle a\), \(\displaystyle b\) és \(\displaystyle c\) hosszúságú darabokat vágunk le, és azokból háromszög alakú merev keretet hozunk létre. A vaskeret teljes súlya \(\displaystyle G\). A keretet vízszintes helyzetben a csúcsainál alátámasztjuk. Mekkora erővel terheli a vaskeret az alátámasztási pontokat?
M. 447. Mérjük meg egy laza csavarrugó rugóállandóját különböző, a rugóval összemérhető tömegű nehezékek segítségével
a) statikus módszerrel,
b) dinamikus módszerrel (rezgések tanulmányozásával).
Vessük össze a kétféle módszerrel kapott eredményeket, és próbáljunk magyarázatot adni az esetleges eltérésre!
Közli: Vigh Máté, Herceghalom
