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 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!
G. 912. Az ábrán látható áramkörben kezdetben a kapcsoló nyitva van.
a) Mekkora áramok folynak az áramkör ellenállásain és a telepeken a kapcsoló zárása előtt és után?
b) Mekkora áramok folynak, ha a kapcsoló melletti feszültségforrás polaritását megfordítjuk?
A KöMaL egy példányának ára 2025. szeptembertől 1600 Ft, előfizetése 1 évre 12500 Ft – BJMT tagoknak 12000 Ft.
Megrendelem
P. 5691. Határozzuk meg egy vékony, \(\displaystyle m\) tömegű, homogén tömegeloszlású, \(\displaystyle a\) oldalú szabályos háromszög alakú lemez tehetetlenségi nyomatékát az egyik csúcsán áthaladó tengelyre vonatkozóan, ha az
a) a háromszög síkjára merőleges,
b) a magasságvonal,
c) az előző két tengelyre merőleges.
Közli: Zsigri Ferenc, Budapest
