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.
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
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 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. 5674. Egy hőerőgép egy \(\displaystyle C\) hőkapacitású, kezdetben \(\displaystyle T\) hőmérsékletű test és egy állandó \(\displaystyle T_0\) hőmérsékletű, nagy méretű hőtartály között üzemel.
Vizsgáljuk a következő két esetet: \(\displaystyle T=T_0+\Delta T\) és \(\displaystyle T=T_0-\Delta T\). Melyik esetben nyerhetünk több munkát?
Példatári feladat nyomán
I. megoldás. A maximális, reverzibilis folyamatban működő gép (Carnot-gép) által végzett munka a hatásfok folyamatos változása miatt mindkét esetben integrálással fejezhető ki.
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
