Szerk
P. 5669. Egy \(\displaystyle R=5~\mathrm{cm}\) sugarú, \(\displaystyle m=0{,}5~\mathrm{kg}\) tömegű, homogén anyageloszlású tárcsa \(\displaystyle r=0{,}5~\mathrm{cm}\) sugarú tengelyéhez egy \(\displaystyle L=20~\mathrm{cm}\) hosszúságú, vékony fonál egyik végét rögzítjük, és a fonál \(\displaystyle L/2\) hosszúságú részét a tengelyre feltekerjük. A függőleges fonál másik végét rögzített helyzetben tartva a tárcsát elengedjük.
a) Mekkora erő feszíti a fonalat az egyenletesen gyorsuló tárcsa (,,jojó'') mozgása közben?
b) Mekkora a tárcsa tengelyének sebessége a fonál kitekeredésének pillanatában?
c) A tárcsa függőleges mozgásának megfordulásakor a fonalat feszítő erő egy rövid időre megnő (a tárcsa ,,ránt egyet'' a fonálon). Becsüljük meg a fonálerő átlagos értékét a rántás alatt!
A tengely tömegét, a fonál függőlegestől való eltérését és a közegellenállást elhanyagolhatjuk. A tárcsa szögsebességét az ,,átfordulás'' alatt tekintsük állandónak.
(6 pont)
Közli: Gnädig Péter, Vácduka
Megoldás. a) A tárcsára két erő hat: a nehézségi erő és a fonálerő (ábra). A tömegközéppont gyorsulása \(\displaystyle a_{\mathrm{tkp}}\), a tárcsa szöggyorsulása \(\displaystyle \beta\). A mozgásegyenletek:
ahol \(\displaystyle \Theta=\tfrac{1}{2}mR^2\) a tárcsa tehetetlenségi nyomatéka. A kényszerfeltétel miatt (a fonál nem csúszik meg a tengelyen):
\(\displaystyle a_{\mathrm{tkp}}=r\beta. \)
Az egyenletrendszer megoldása:
Tehát a fonálerő a letekeredés alatt: \(\displaystyle K=4{,}81~\mathrm{N}\).
b) A tengely \(\displaystyle a_{\mathrm{tkp}}\) gyorsulással tesz meg \(\displaystyle L/2\) távolságot, így a végsebessége:
\(\displaystyle v=\sqrt{La_{\mathrm{tkp}}}=\sqrt{\frac{Lg}{1+\frac{R^2}{2r^2}}}=0{,}196~\mathrm{m}/\mathrm{s}. \)
Megjegyzés. A végsebesség (a gyorsulás ismerete nélkül) az energiamegmaradásból is meghatározható:
\(\displaystyle \frac{1}{2}mv^2+\frac{1}{2}\Theta\omega^2=mg\frac{L}{2}, \)
amiből a \(\displaystyle v=r\omega\) kényszerfeltétel és \(\displaystyle \Theta=\tfrac{1}{2}mR^2\) felhasználásával:
az előző megoldással megegyezően.
c) A rántás alatt a tömegközéppont sebessége irányt vált, így a rendszer impulzusa
\(\displaystyle \Delta I=2mv \)
értékkel megváltozik. Eközben a tengely közel állandó szögsebességgel átfordul, a \(\displaystyle \pi\) szögelforduláshoz
\(\displaystyle \Delta t=\frac{\pi}{\omega}=\frac{r\pi}{v} \)
időre van szükség. (Itt ismét felhasználtuk a \(\displaystyle v=r\omega\) kényszerfeltételt.) A rántás alatt a testre ható átlagos erő:
\(\displaystyle K_{\mathrm{r}}-mg=\frac{\Delta I}{\Delta t}, \)
amiből a keresett (átlagos) fonálerő a rántás közben:
\(\displaystyle K_{\mathrm{r}}=\frac{\Delta I}{\Delta t}+mg=\frac{2mv^2}{r\pi}+mg=\left(\frac{4Lr}{\pi(2r^2+R^2)}+1\right)mg=7{,}35~\mathrm{N}. \)
Papp Emese Petra (Budapest, ELTE Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., 11. évf.)
36 dolgozat érkezett. Helyes 11 megoldás. Kicsit hiányos (4–5 pont) 17, hiányos(1–3 pont) 7, nem versenyszerű 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
