1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Hasonló dokumentumok
Fizika feladatok november 24.

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Oktatási Hivatal FIZIKA. II. kategória. A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 1. forduló. Javítási-értékelési útmutató

1. Feladatok rugalmas és rugalmatlan ütközések tárgyköréből

Tehetetlenségi nyomaték, impulzusmomentum-tétel, -megmaradás

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Gyakorló feladatok Feladatok, merev test dinamikája

Gépészmérnöki alapszak Mérnöki fizika ZH NÉV: október 18. Neptun kód:...

Fizika 1 Mechanika órai feladatok megoldása 10. hét

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FELADATOK

Oktatási Hivatal FIZIKA. I. kategória. A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2. forduló. Javítási-értékelési útmutató

Rezgések és hullámok

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Fizika feladatok február 21.

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

Az elméleti mechanika alapjai

Fizika feladatok október 19.

Rezgőmozgás, lengőmozgás

Irányításelmélet és technika I.

Fizika alapok vegyészeknek Mechanika II.: periodikus mozgások november 10.

1. MECHANIKA Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

Kifejtendő kérdések december 11. Gyakorló feladatok

Merev testek kinematikája

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

MateFIZIKA: Pörgés, forgás, csavarodás (Vektorok és axiálvektorok a fizikában)

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

A mérés célkitűzései: A matematikai inga lengésidejének kísérleti vizsgálata, a nehézségi gyorsulás meghatározása.

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

A 2009/2010. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. II. kategória

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

Kényszerfeltételek február 10. F = ma

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

Mérnöki alapok 2. előadás

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Mechanika I-II. Példatár

DIONYSIS KONSTANTINOU ANDREAS MEIER ZBIGNIEW TRZMIEL MARADJON A LEVEGŐBEN

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

1. feladat. 2. feladat

A 2011/2012. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából II.

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

2. MECHANIKA 2. MECHANIKA / 1. ω +x

A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

Bevezetés az elméleti zikába

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Dinamika. A dinamika feladata a test(ek) gyorsulását okozó erők matematikai leírása.

Osztályozó, javító vizsga 9. évfolyam gimnázium. Írásbeli vizsgarész ELSŐ RÉSZ

Tömegmérés stopperrel és mérőszalaggal

Gnädig Péter: Golyók, labdák, korongok és pörgettyűk csalafinta mozgása április 16. Pörgettyűk különböző méretekben az atomoktól a csillagokig

ÁLTALÁNOS JÁRMŰGÉPTAN

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató. Ksin ma.

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

Mérnöki alapok 2. előadás

Fizika 1i, 2018 őszi félév, 4. gyakorlat

Fizikai olimpiász. 52. évfolyam. 2010/2011-es tanév. B kategória

Mérések állítható hajlásszögű lejtőn

Az inga mozgásának matematikai modellezése

Fizika feladatok - 2. gyakorlat

Mechanika Kinematika. - Kinematikára: a testek mozgását tanulmányozza anélkül, hogy figyelembe venné a kiváltó

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

2.4. Coulomb-súrlódással (száraz súrlódással) csillapított szabad rezgések

Mechanika. Kinematika

L 4πd 2 1 L 4πd 2 2. km 3,5. P max = P min = Az 5 naptömegű bolygó esetén ez alapján a zóna belső és külső határai (d 1 és d 2): 2.

Fizika I minimumkérdések:

A Maxwell - kerékről. Maxwell - ingának is nevezik azt a szerkezetet, melyről most lesz szó. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is!

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Biliárd ötkor. Játék és fizika 60 percben. Sasvári László ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék. Az atomoktól a csillagokig 2014.

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

A nagyobb tömegű Peti 1,5 m-re ült a forgástengelytől. Összesen: 9p

Harmonikus rezgések összetevése és felbontása

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

Javítási útmutató Fizika felmérő 2015

1. gyakorlat. Egyenletes és egyenletesen változó mozgás. 1. példa

ZH dec Adott a következő erőtér: E = - 2 (xy + z) i x 2 j (ax + 5) k

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

2. MECHANIKA Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

Digitális tananyag a fizika tanításához

A mechanikai alaptörvények ismerete

Rugalmas állandók mérése

DR. BUDO ÁGOSTON ' # i. akadémikus, Kossuth-díjas egyetemi tanár MECHANIKA. Kilencedik kiadás TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

Alkalmazott Mechanika Tanszék. Széchenyi István Egyetem

Ehhez tekintsük a 2. ábrát is! A födém és a fal síkját tekintsük egy - egy koordinátasíknak, így a létra tömegközéppontjának koordinátái: ( 2 )

2009/2010. tanév Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló. FIZIKA I. kategória FELADATLAP. Valós rugalmas ütközés vizsgálata.

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Átírás:

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből Forgatónyomaték, impulzusmomentum, impulzusmomentum tétel 1.1. Feladat: (HN 13B-7) Homogén tömör henger csúszás nélkül gördül le az α szög alatt hajló lejtőn. Bizonyítsuk be, hogy a csúszást gátló nyugalmi tapadási súrlódási együttható legkisebb értéke tgα/3 kell, hogy legyen! (A henger tehetetlenségi nyomatéka θ = 1 2 mr2.) Megoldás: A hengerre az mg súlyerő, az N = mgcosα támaszerő és az F s tapadási súrlódási erő hat. A mozgásegyenletek a haladó mozgásra ma = mgsinα F s, (1.1.1) és a forgómozgásra A tiszta gördülés feltétele az θβ = F s R. (1.1.2) a = Rβ. (1.1.3) összefüggéssel fogalmazható meg. A három egyenletből az F s erő alakja Figyelembe véve, hogy a tapadási erő maximális, ha F s = mgsinα. (1.1.4) 1 + mr2 θ F s = µmgcosα, (1.1.5) így ezt behelyettesítve a minimális µ tapadási együttható értékére felhasználva a tehetetlenségi nyomaték kifejezését adódik. Q.E.D. µ = mgsinα tgθ = (1 + mr2 )mgcosα 1 + mr2 θ θ = tgθ 3. (1.1.6) 1.2. Feladat: A 1. ábrán látható módon az m tömegű θ = 1 2 mr2 tehetetlenségi nyomatékú korongot egy lejtőn h magasságban elengedünk. A lejtő tapadási súrlódási együtthatója µ 0, ezért a korong itt tisztán gördül. A pálya második fele viszont súrlódásmentes. (a) Mekkora sebessége és szögsebessége van a korongnak a lejtő alján? 2015. november 18. 3

m h µ 0 µ=0 h 1. ábra. (b) Milyen h magasra megy fel a súrlódásmentes emelkedőn a korong? (c) Mennyi a lejtő tetején a korong impulzus momentuma? Megoldás: (a) A korong a lejtőn tisztán gördül, ezért sebesség és szögsebesség között fenn áll a v = Rω. A mechanikai energia megmaradás tétele miatt: mgh = 1 2 mv2 + 1 2 θω2. (1.2.1) A két összefüggés segítségével kifejezhető a sebesség és v = ω = 1 R 4 gh (1.2.2) 3 4 gh. (1.2.3) 3 (b) A lejtő jobb oldala súrlódásmentes, ami azt jelenti, hogy a test a lejtőn felszalad h és ott egy helyben forog ω szögsebességgel. Azaz transzlációs kinetikus energiája alakul csak át helyzeti energiává: mgh = 1 2 mv2. (1.2.4) Innen az emelkedés magassága h = 2 h. (1.2.5) 3 (c) A lejtő tetején forgó korong az impulzusmomentuma: N = θω = 1 1 4 gh 2 mr2 gh = mr R 3 3. (1.2.6) 2015. november 18. 4

Impulzusmomentum megmaradása 1.3. Feladat: (HN 12B-28) A 2. ábrán látható két tömör tárcsa sugara R, egyik tömeg m, a másiké 3m. A bemutatott módon súrlódásmentes csapágyazással közös tengelyre vannak szerelve. A felső tárcsának ω 0 kezdő szögsebességet adunk, majd nagyon kis magasságból ráejtjük a kezdetben nyugalomban lévő alsó tárcsára. A tárcsák a közöttük fellépő súrlódás hatására végül közös ω szögsebességgel együtt forognak. (a) A megadott mennyiségekkel fejezzük ki a végső ω szögsebességet, és (b) a tárcsák egymáson való súrlódása közben végzett munkát! (c) Mi lenne az egyenesvonalú analogonja ennek a forgási "ütközésnek"? 2. ábra. Megoldás: (a) Külső forgatónyomatékok hiányában az impulzusmomentum megmaradás tételét alkalmazhatjuk. Kezdetben a 3m tömegű test forog ω 0 szögsebességgel. Az impulzusmomentum N 1 = θ 3m ω 0 = 1 2 3mR2 ω 0, (1.3.1) ahol θ 3m a 3m tömegű test tehetetlenségi nyomatéka. Az összetapadás után együtt forog a két test, az együttes impulzusmomentum N 2 = (θ m + θ 3m )ω = ( 1 2 mr2 + 1 2 3mR2 )ω, (1.3.2) ahol θ m az m tömegű test tehetetlenségi nyomatéka. Mivel N 1 = N 2, így 1 2 3mR2 ω 0 = ( 1 2 mr2 + 1 2 3mR2 )ω, (1.3.3) 2015. november 18. 5

amelyből ω = 3 4 ω 0. (1.3.4) (b) A kezdeti kinetikus energia míg az összetapadás után E 1 = 1 2 θ 3mω 2 0 = 1 4 3mR2 ω 2 0 = 3 4 mr2 ω 2 0, (1.3.5) E 2 = 1 2 (θ m + θ 3m )ω 2 = 1 4 4mR2 ω 2 = 9 16 mr2 ω 2 0. (1.3.6) A két energia különbsége, amennyi a belső energiát növeli: E = E 1 E 2 = 3 4 mr2 ω 2 0 9 16 mr2 ω 2 0 = 3 16 mr2 ω 2 0. (1.3.7) (c) Az egyenesvonalú analogon: a 3m tömegű v 0 sebességű test ütközése a nyugvó m tömegű testtel. Ekkor a közös sebesség: v = 3 4 v 0. (1.3.8) Forgási energia 1.4. Feladat: Az L hosszúságú m tömegű rúd függőlegesen áll, az alsó pontja súrlódásmentes csapággyal csatlakozik a talajhoz. Az egyensúlyi helyzetből kimozdul és a talajba csapódik. Mekkora a rúd szögsebessége a becsapódás pillanatában? A rúd tehetetlenségi nyomatéka a rúd végére vonatkoztatva θ = 1 3 ml2. Megoldás: A talajszintet választva a potenciális energia zérus pontjának a rúd a rúd tömegközéppontjának potenciális energiája álló helyzetben E p1 = mg L 2, (1.4.1) míg a fekvő helyzetben A kezdeti kinetikus energia E p2 = 0. (1.4.2) E k1 = 0, (1.4.3) 2015. november 18. 6

míg a végső kinetikus energia a forgásból származó E k2 = 1 2 θω2. (1.4.4) A mechanikai energiamegmaradás tételét alkalmazva (E p1 + E k1 = E p2 + E k2 ) kapjuk, hogy mg L 2 = 1 2 θω2. (1.4.5) A tehetetlenségi nyomaték behelyettesítése és az egyenlet rendezése után a szögsebességre adódik. ω = 3g L (1.4.6) 2. Feladatok a rezgőmozgás és a mechanikai hullámok tárgyköréből Harmonikus rezgőmozgás 2.1. Feladat: Két, azonos amplitúdójú rezgés, melyek frekvenciája ν 1 = 40 Hz és ν 2 = 60 Hz, egyszerre kezdi meg rezgését az egyensúlyi helyzetből. Mikor lesz legelőször ismét azonos a kitérésük? Megoldás: A rezgések kitérését az y(t) = Asin2πν 1 t illetve y(t) = Asin2πν 2 t alakba írjuk fel. Az első találkozási idő a kettő egyenlőségéből számolható Asin2πν 1 t = Asin2πν 2 t. (2.1.1) Az egyenletet átrendezve és a szögek szinusza különbségére vonatkozó összefüggést alkalmazva 0 = sin2πν 2 t Asin2πν 1 t = 2cos 2πν 2 + 2πν 1 2 írható. Leghamarabb akkor teljesül az egyenlőség, ha t sin 2πν 2 2πν 1 t (2.1.2) 2 azaz Innen az első találkozás időpontja cos 2πν 2 + 2πν 1 t = 0, (2.1.3) 2 t = 2πν 2 + 2πν 1 t = π 2 2. (2.1.4) 1 = 0,005s. (2.1.5) 2(ν 2 + ν 1 ) 2015. november 18. 7

BME Fizikai Intézet 2.2. Feladat: (HN 15B-26) Vékony, 20 cm sugarú karikát vízszintesen álló késélre helyezünk a 3. ábra szerint úgy, hogy fizikai ingaként a karika síkjában leng. (a) Határozzuk meg kis amplitúdójú lengéseinek periódusidejét. (b) Mekkora annak a fonálingának a hossza, amelynek azonos a lengésideje? 3. ábra. Megoldás: Jelölés: R = 20 cm = 0,2 m; m a karika tömege, θ0 = mr2 a szimmetria tengelyére vett tehetetlenségi nyomatéka; φ a kitérés szöge a függo legeshez viszonyítva. (a) A kés élén felfüggesztett inga karja felfüggesztés és tömegközéppont távolsága az R sugár, a felfüggesztésre vett θ tehetetlenségi nyomaték a Steiner-tétel szerint θ = θ0 + mr2 = 2mR2. (2.2.1) M = mgr sin φ (2.2.2) Kitérítve φ szöggel a karikát forgatónyomaték fog hatni. A negatív elo jel éppen arra utal, hogy a nyomaték az egyensúlyi helyzet felé mozgat. A forgómozgás alapegyenlete szerint θβ = M = mgr sin φ, (2.2.3) ahol β a szöggyorsulás. Mivel β = φ, így θφ = mgr sin φ, 2015. november 18. (2.2.4) 8

amely "majdnem" a harmonikus rezgőmozgás differenciálegyenlete. Ha kis szögkitérésekre szorítkozunk, akkor alkalmazhatjuk a sinφ φ közelítést, így a θ φ = mgrφ (2.2.5) egyenlet harmonikus rezgomozgást ír le. Az ω körfrekvencia közvetlenül leolvasható: mgr g ω = = θ 2R. (2.2.6) A periódusidő T = 2π ω = 2π 2R g. (2.2.7) (b) A fonálinga (matematikai inga) lengésideje l T = 2π g, (2.2.8) ahonnan a kérdéses fonál hossz l = 2R. (2.2.9) Rugalmas közegekben terjedő hullámok 2.3. Feladat: Egy húron csillapítatlan transzverzális harmonikus hullám terjed 20 m/s sebességgel pozitív irányba. Amplitúdója 50 cm, frekvenciája 2 Hz. A t 0 = 0 pillanatban az x 0 = 0 helyen levő részecske kitérése 25 cm, és negatív irányban mozog. Mekkora a kitérése az x = 5 m helyen lévő részecskének a t = 2 s pillanatban? Megoldás: Jelölések: v = 20 m/s; A = 50 cm = 0,5 m; ν = 2 Hz; A(x 0 = 0,t 0 = 0) = A(0,0) = 25 cm = 0,25 m. A hullámfüggvény általános alakja y(x,t) = Asin(kx ωt + δ), (2.3.1) amelyre a kezdeti feltételeket alkalmazva A(0,0) = Asinδ. (2.3.2) 2015. november 18. 9

Ahhoz, hogy a hullámfüggvény a kezdeti időpillanatot követően az x 0 = 0 helyen csökkenjen, úgy 0 < δ < π/2 kell legyen. Így az adatok behelyettesítése után δ = π 6. (2.3.3) Az ω körfrekvencia ω = 2πν = 12,561/s. (2.3.4) A hullám terjedési sebessége a v = ω k (2.3.5) összefüggéssel számolható, ahonnan a k cirkuláris hullámszám k = ω v = 0,6281/m. (2.3.6) A hullámfüggvény az SI egységekkel kifejezve a ( y(x,t) = 0,5sin 0,628x 12,56t + π ) 6 (2.3.7) alakot ölti. Az x = 5 m és t = 2 s helyettesítést elvégezve az ezen a helyen és ebben az időpontban a kitérés y(5,2) = 0,25m. (2.3.8) 2015. november 18. 10