Szerk
P. 5664. Sokszor halljuk, hogy a sarkokon olvadó jég lassítja a Föld tengely körüli forgását. Becsüljük meg a jelenség nagyságát! Az Antarktisz területe \(\displaystyle 14~\textrm{millió~km}^2\), az Arktisz jégtakaróját is tekintsük ugyanekkorának. Vizsgáljuk azt, ha a Déli, illetve az Északi sarkon 1 m vastagságban elolvad a jég.
a) Mennyivel változik a tengerszint az egyik és a másik esetben?
b) Mennyivel változik egy földi nap hossza?
(5 pont)
Közli: Cserti József, Budapest
Megoldás. A feladatban felhasznált megadott, táblázatokból kikeresett és számított adatok:
az Antarktisz (és az Arktisz) területe: \(\displaystyle A=14~\textrm{millió}~\mathrm{km}^2=1{,}4\cdot 10^{13}~\mathrm{m}^2\),
az olvadó jég vastagsága: \(\displaystyle h=1~\mathrm{m}\),
a jég sűrűsége: \(\displaystyle \varrho_{\mathrm{j}}=917~\mathrm{kg}/\mathrm{m}^3\), a víz sűrűsége: \(\displaystyle \varrho_{\mathrm{v}}\approx 1000~\mathrm{kg}/\mathrm{m}^3\),
a Föld sugara: \(\displaystyle R=6{,}371\cdot 10^6~\mathrm{km}\),
a Föld tehetetlenségi nyomatéka: \(\displaystyle \Theta_\oplus=8{,}04\cdot 10^{37}~\mathrm{kgm}^2\). (Irodalmi adat. A Föld tehetetlenségi nyomatékára az egyszerű homogén gömb modellel ennél nagyobb érték adódik: \(\displaystyle \Theta=\tfrac{2}{5}mR^2\approx 9{,}7\cdot 10^{37}~\mathrm{kgm}^2\). Az eltérés fő oka (a nem teljesen szabályos gömb alakon kívül), hogy a Föld nem homogén, a magjának sokkal nagyobb a sűrűsége, mint a kéregnek.) Az óceánok és tengerek felszíne: \(\displaystyle A_{\mathrm{o}}\approx 3{,}61\cdot 10^{14}~\mathrm{m}^2\) (a Föld felszínének \(\displaystyle 70{,}8\%\)-a),
a) I. Antarktisz (szárazföldi jég).
Az elolvadó jég térfogata:
\(\displaystyle V_{\mathrm{j}}=Ah=1{,}4\cdot 10^{13}~\mathrm{m}^3, \)
a keletkező víz térfogata:
\(\displaystyle V_{\mathrm{v}}=\frac{\varrho_{\mathrm{j}}}{\varrho_{\mathrm{v}}}V_{\mathrm{j}}\approx 1{,}28\cdot 10^{13}~\mathrm{m}^3. \)
Ebből a tengerek vízszintemelkedése:
\(\displaystyle \Delta h=\frac{V_{\mathrm{v}}}{A_{\mathrm{o}}}\approx 0{,}0358~\mathrm{m}\approx 3{,}6~\mathrm{cm}. \)
II. Arktisz (tengeri jég).
A tengeri jég úszik a vízen, így a megolvadás előtt is a súlyának megfelelő mennyiségű vizet szorít ki. A tengerek szintje ezért az olvadás miatt nem emelkedik.
b) Az olvadás közben a Föld perdülete nem változik, így
\(\displaystyle N=\Theta\omega=\textrm{állandó}. \)
Ebből a napok \(\displaystyle T=1~\mathrm{nap}\approx 86400~\mathrm{s}\) hosszának változása:
\(\displaystyle \Delta T=\frac{\Delta\Theta}{\Theta_\oplus}\,T. \)
(Azért csak közelítően, mert valójában itt nem a 24 órás nap, hanem a \(\displaystyle 23^\mathrm{h}~56'\,4''\)-es csillagnap, a Föld állócsillagokhoz viszonyított forgási periódusának változását számítjuk.)
Az elolvadó jég tömege:
\(\displaystyle m_{\mathrm{j}}=\varrho_{\mathrm{j}}V_{\mathrm{j}}=1{,}284\cdot 10^{16}~\mathrm{kg}. \)
A (kezdeti) tehetetlenségi nyomaték meghatározásához a jeget gömbsüveg alakúnak tekintjük. (Mivel a gömbsüveg magassága mindössze a Föld sugarának \(\displaystyle 5\%\)-a, feladat megoldásának közelítései mellett a gömbsüveg helyett – sokkal egyszerűbben – körlappal is számolhatunk.) Ekkor a területe így is felírható:
\(\displaystyle A=2\pi R^2(1-\cos\vartheta), \)
ahol \(\displaystyle \vartheta\) a jégtakaró peremének szögtávolsága a sarkoktól. Az adatokat behelyettesítve \(\displaystyle \vartheta\approx 19^\circ\).
A jégsapka tehetetlenségi nyomatéka a Föld forgástengelyére vonatkoztatva:
\(\displaystyle \Theta_0=\int\limits_V\varrho_{\mathrm{j}}(R\sin\vartheta)^2\mathrm{d}V=2\pi\varrho_{\mathrm{j}}hR^4\int\limits_0^\vartheta\sin^3\vartheta\mathrm{d}\vartheta, \)
ahol \(\displaystyle \mathrm{d}V=2\pi R\sin\vartheta\,hR\mathrm{d}\vartheta\) a jégsapka elemi gömbövének térfogata. Az integrál értéke:
\(\displaystyle \int\limits_0^\vartheta\sin^3\vartheta\mathrm{d}\vartheta=\left[-\cos\vartheta+\frac{1}{3}\cos^3\vartheta\right]_0^\vartheta=\frac{2}{3}-\cos\vartheta+\frac{1}{3}\cos^3\vartheta\approx 0{,}0029. \)
Ezt felhasználva és az adatokat behelyettesítve:
\(\displaystyle \Theta_0\approx 2{,}7\cdot 10^{28}~\mathrm{kgm}^2. \)
I. Antarktisz.
Az olvadás után a víz elterül a világtengereken. A kontinensek eloszlása nem egyenletes, de közelítőleg úgy számolhatunk, mintha egy vékony gömbhéj lenne. Ennek tehetetlenségi nyomatéka:
\(\displaystyle \Theta_1=\frac{2}{3}m_{\mathrm{j}}R^2=3{,}47\cdot 10^{29}~\mathrm{kgm}^2. \)
A tehetetlenségi nyomaték változása:
\(\displaystyle \Delta\Theta=\Theta_1-\Theta_0=3{,}20\cdot 10^{29}~\mathrm{kgm}^2, \)
és ez alapján a napok hosszának változása:
\(\displaystyle \Delta T=\frac{\Delta\Theta}{\Theta_\oplus}\,T=3{,}4\cdot 10^{-4}~\mathrm{s}=0{,}34~\mathrm{ms}. \)
II. Arktisz.
Ebben az esetben nincs tömegátrendeződés, így a napok hossza se változik.
Az Entrópiatagadók csapat: Budai Máté, Nacsa Domán(Gyula, Erkel F. Gimn., 12. évf.)
26 dolgozat érkezett. Helyes 4 megoldás. Kicsit hiányos (4 pont) 10, hiányos (2–3 pont) 8, hibás 1, nem versenyszerű 3 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