Zadanie bloczek. Rozwiązanie. I sposób rozwiązania - podział na podukłady.

Podobne dokumenty
M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Zasady dynamiki Newtona. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

m 0 + m Temat: Badanie ruchu jednostajnie zmiennego przy pomocy maszyny Atwooda.

PRZYRZĄD DO WPROWADZENIA POJĘCIA MOMENTU OBROTU I PARY SIŁ

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

będzie momentem Twierdzenie Steinera

R o z d z i a ł 4 MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

Wyznaczanie momentów bezwładności brył sztywnych metodą zawieszenia trójnitkowego

Zadanie na egzamin 2011

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Podstawy fizyki wykład 4

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

(t) w przedziale (0 s 16 s). b) Uzupełnij tabelę, wpisując w drugiej kolumnie rodzaj ruchu, jakim poruszała się mrówka w kolejnych przedziałach czasu.

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Fizyka 5. Janusz Andrzejewski

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

12 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ I. a=εr. 2 t. Włodzimierz Wolczyński. Przyspieszenie kątowe. ε przyspieszenie kątowe [ ω prędkość kątowa

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW. Ćwiczenie N 2 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

VII.1 Pojęcia podstawowe.

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

MECHANIKA 2 Wykład Nr 9 Dynamika układu punktów materialnych

Podstawy fizyki wykład 4

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Ćwiczenie: "Ruch po okręgu"

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Elementy dynamiki mechanizmów

Bryła sztywna. zbiór punktów materialnych utrzymujących stałą odległość między sobą. Deformująca się piłka nie jest bryłą sztywną!

Bryła sztywna Zadanie domowe

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

OPRACOWANIE MONIKA KASIELSKA

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Elementy dynamiki mechanizmów

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Układy równań liniowych. Ax = b (1)

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 9 1.XII Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Plan wynikowy. z fizyki dla klasy pierwszej liceum profilowanego

Napęd pojęcia podstawowe

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Ćwiczenie: "Dynamika"

Mechanika Ogólna General Mechanics. Inżynieria Bezpieczeństwa I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólnoakademicki / praktyczny)

1. Kinematyka 8 godzin

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

Opis ruchu obrotowego

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

Ruch Demonstracje z kinematyki i dynamiki przeprowadzane przy wykorzystanie ultradźwiękowego czujnika połoŝenia i linii powietrznej.

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

Mechanika teoretyczna

SZCZEGÓŁOWE CELE EDUKACYJNE

1.UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Karta (sylabus) przedmiotu Kierunek studiów Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Mechanika Techniczna Rodzaj przedmiotu: Podstawowy Kod przedmiotu:

Dynamika Newtonowska trzy zasady dynamiki

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

Anna Nagórna Wrocław, r. nauczycielka chemii i fizyki

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W KLASIE PIERWSZEJ GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Siły oporu prędkość graniczna w spadku swobodnym

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

MECHANIKA 2. Teoria uderzenia

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Mechanika Techniczna I Engineering Mechanics I. Transport I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Kołowrót -11pkt. 1. Zadanie 22. Wahadło balistyczne (10 pkt)

Prawda/Fałsz. Klucz odpowiedzi. Uwaga: Akceptowane są wszystkie odpowiedzi merytorycznie poprawne i spełniające warunki zadania. Zad 1.

Wykład Energia kinetyczna potencjalna 4.2. Praca i moc 4.3. Zasady zachowania DYNAMIKA

Opis poszczególnych przedmiotów (Sylabus) Fizyka, studia pierwszego stopnia

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Transkrypt:

Zadanie bloczek Przez zamocowany bloczek o masie m przerzucono nierozciągliwą nitkę na której zawieszono dwa obciąŝniki o masach odpowiednio m i m. Oblicz przyspieszenie z jakim będą poruszać się obciąŝniki. Masę nitki i opory zaniedbać. Przyjmij, Ŝe moment bezwładności bloczka o promieniu r jest równy mr /, masę nitki pomiń. Uwaga: Zadanie to jest typowym, występującym w wielu wariantach (zobacz przypadki szczególne str. 8). Dla przypadku, gdy jednego z obciąŝników nie ma, wystąpiło na egzaminie maturalnym w maju 005 r. Rozwiązanie I sposób rozwiązania - podział na podukłady. Rys. - wyjściowy Rys. - podział na układy PDFiA US, 007 - /0 -

A) B) gdzie: r N = r N' Rys.3 - zaznaczenie sił Korzystamy z II zasady dynamiki Newtona: Dla podukładu I (lewego obciąŝnika) mamy: F wyp = ma. Q = Dla podukładu II (prawego obciąŝnika) mamy: N m a. () N = Dla podukładu III - z samym bloczkiem, mamy: Q m a. () M wyp = Iε. (3) Zatem M M = Iε, (4) Przy załoŝeniu, Ŝe nić jest nierozciągliwa i nie ma poślizgów na bloczku rn rn = Iε (5) Rozwiązując powyŝszy układ 3 niezaleŝnych równań (3 podukłady) i uwzględniając, Ŝe zaleŝność kinematyczna między przyspieszeniem kątowym a liniowym bloczka wynosi PDFiA US, 007 - /0 -

otrzymujemy a = rε, m m a = g (6) m + m + m Komentarz: Aby utrwalić kolejność wielkości fizycznych powinno się stosować najpierw wielkości skalarne a później wektorowe, tak jak zostało to przedstawione w równaniu 3a. W rozwiązaniu zaproponowanym przez Centralną Komisję Egzaminacyjną w pierwszym równaniu dla ruchu obrotowego kołowrotu pojawiła się odwrotna kolejność zapisu, która jest nie zgodna z ustaleniem wielkości fizycznych. Zapis równania dla ruchu obrotowego powinien mieć następującą postać: rn = Iε, zamiast Nr = εi. II sposób rozwiązania (całościowy): Wyjściowy układ (Rys. 4) jest równowaŝny kolejnym (Rys. 5, 6, 7), w którym nie uwzględniamy sił wewnętrznych. Rys. 4. Rys. 5. ObciąŜniki działają na bloczek w miejscu styku nitki z bloczkiem. Zatem układ obciąŝników z nitkami moŝemy zastąpić : samymi siłami pochodzącymi od tych obciąŝników działających na bloczek w miejscu ich styku rys. 6 i PDFiA US, 007-3/0 -

punktami materialnymi znajdującymi się cały czas w punkcie styku rys.7, wpływa to na moment bezwładności całego układu, który jest równy sumie momentu bezwładności bloczka i momentom bezwładności dwóch punktów materialnych znajdujących się w odległości r od osi obrotu, czyli: Icał = m r + m r + mr. Rys.6. Rys.7. (Ciała materialne - obciąŝniki zastąpiliśmy punktami materialnymi jak na Rys. 7. Ramię siły cięŝaru punktu materialnego nie ulega zmianie, więc moŝna dowolnie wzdłuŝ nitki przesuwać punkty materialne.) Korzystamy z II zasady dynamiki Newtona dla ruchu obrotowego ε = M I wyp c gdzie: M wyp = rq - rq, I c = I + m r + m r, I = mr / - moment bezwładności bloczka. Podstawiając, mamy: Stąd, mnoŝąc przez r otrzymujemy a. rq rq ε =. m r + m r + mr PDFiA US, 007-4/0 -

III sposób rozwiązania (z zasady zachowania energii): W tym przypadku rysujemy układ w stanie początkowym rys. lewy (poniŝej) i w stanie końcowym rys. prawy (poniŝej). Rys. 8. Rys.9. Energia mechaniczna jest równa 0. Dla stanu początkowego: Dla stanu końcowego: ( końo) ( pocz ) E = 0. E + E = Ek + E p + Ek + E k kbl = mv mv mgh + mgh + Iω. PoniewaŜ ( pocz ) ( koń) E = E, więc PDFiA US, 007-5/0 -

Zatem Stąd mv mv 0 = m ω gh + mgh + I v. ( m m ) gh = m + m + m m m v = gh. m + m + m Z kinematyki wiadomo, Ŝe w ruchu jednostajnie zmiennym (dla v = 0 0 ): v = a x Mając prędkość w stanie końcowym moŝemy obliczyć przyspieszenie w trakcie ruchu, które jest stałe, poniewaŝ siły działające w tym układzie nie ulegają zmianie (F = const), więc porównując dwa ostatnie równania, otrzymujemy: m m a = g. m + m + m Sposób przejścia od zadania złoŝonego do podstawowego DuŜy problem dla ucznia w rozwiązywaniu zadań stanowi jego brak umiejętności matematycznych i fizycznych. Uczeń powinien umieć powiązać trudne zadanie z zadaniem wyjściowym, podstawowym. Przykładem takiego typu zadań jest zadanie z bloczkiem, które pojawiło się na egzaminie maturalnym z fizyki w roku szkolnym 004/005, rozwiązane wyŝej. Jest to zadanie najbardziej reprezentatywne, z działu mechaniki. Zadania maturalne są zadaniami złoŝonymi, które wymagają większych umiejętności związanych z fazami rozwiązywania zadań. Uczeń musi nauczyć się prostych zadań po to by móc rozwiązać zadanie bardziej złoŝone. W umiejętny sposób moŝna dojść od zadania złoŝonego do prostego. PoniŜej zamieszczam sposób takiego rozwiązania na przykładzie zadania z bloczkiem, przy załoŝeniu, Ŝe m b = 0. Przechodzimy od układu bloczka - Rys. i 0 do układu podstawowego rys. od do 4.. PDFiA US, 007-6/0 -

Rys. 0 Rys. Zad. nr. to typowy, standardowy układ z wyprostowaniem. Nitka powoduje zmianę zwrotu działającej siły. W kolejnym kroku pomijamy nitkę, która jest niewaŝka i nierozciągliwa. Następnie zastępujemy dwa ciała jednym ciałem o masie: m c = m + m. Rys.3. Rys.4. F w = Q Q Typowym przypadkiem dla Rys. Zad. nr 3 jest ruch ciała z tarciem: Rys.5. Rys.6. PDFiA US, 007-7/0 -

Dyskusja rozwiązania zadania. Zbadanie szczególnych przypadków: a) moment bezwładności i masa bloczka są równe zero ( I = 0 i m = 0 ), oraz gdy masy obciąŝników m, m są dowolne. Z rozwiązania ogólnego (6), dla m = 0 mamy : m m a = g m + m W przypadku granicznym gdy m = 0, wówczas mamy spadek swobodny: a = g, który jest zgodny z naszym doświadczeniem; b) m = m to a = 0 przypadek statyczny ( F = 0 );, przy czym masa bloczka jest dowolna i układ jest w równowadze- w c) m = 0, wówczas m a =, przypadek ten jest zadaniem maturalnym. m + m. Sprawdzenie symetrii wyniku: JeŜeli ciała zamienimy miejscami, tzn. a to a a przypadku, dla rozwiązania (6), wykazujemy następująco:, w naszym a' = m m m m g = g = a m + m + m m + m + m 3. Parametry decydujące o wielkości poszukiwanej: decydują dwa parametry stosunki mas m i m m m : przyspieszenie nie zaleŝy od promienia r. m m a = g ; m m + + m m PDFiA US, 007-8/0 -

4. Eksperyment: a) MoŜna wykonać w szkolnej pracowni, na lekcji, podczas zajęć. Przykładowy zestaw doświadczalny widoczny jest na zdjęciach i. Zdjęcie nr. Zdjęcie nr. Zdjęcie nr - stan początkowy, Zdjęcie nr - stan końcowy. PDFiA US, 007-9/0 -

b) Zamiast bloczka moŝna stosować spadkownicę Atwooda. Jest to przyrząd pomoc dydaktyczna w wielu szkołach. Przykładem tego moŝe być zadanie ze spadkownicą Atwooda, które występuje w wielu zbiorach zadań i jest zaliczane do zadań wciąŝ aktualnych. Zadanie ze spadkownicą Atwooda. Spadający cięŝar przebył na spadkownicy Atwooda drogę s = 50 cm w czasie t = 5 s. Oblicz przyspieszenie oraz prędkość końcową jego ruchu. Rys. 7. Źródło: Zbiór zadań z fizyki, Waldemar Zillinger Nazwa zadania: Spadkownica Atwooda Rozwiązanie: Przyspieszenie: = s t = cm a ; s s Prędkość końcowa: v = = 60 t konc cm. s PDFiA US, 007-0/0 -