A FIZIKA TANÍTÁSA. Visszapattanáskor belapuló labda függôleges irányú mozgása

Hasonló dokumentumok
Mechanikai munka, energia, teljesítmény (Vázlat)

4. Lineáris csillapítatlan szabad rezgés. Lineáris csillapított szabad rezgés. Gyenge csillapítás. Ger-jesztett rezgés. Amplitúdó rezonancia.

IDEÁLIS FOLYADÉKOK ÁRAMLÁSA

Fizika I minimumkérdések:

a. Egyenes vonalú mozgás esetén az elmozdulás mindig megegyezik a megtett úttal.

Hullámtan. Hullám Valamilyen közeg kis tartományában keltett, a közegben tovaterjedő zavar.

A FIZIKA TANÍTÁSA. Didaktikai gondolatok

a) Az első esetben emelési és súrlódási munkát kell végeznünk: d A

A A. A hidrosztatikai nyomás a folyadék súlyából származik, a folyadék részecskéi nyomják egymást.

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Harmonikus rezgőmozgás

MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA)

5. Differenciálegyenlet rendszerek

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Rezgésdiagnosztika. 1. Bevezetés. PDF created with pdffactory Pro trial version

Merev test kinetika, síkmozgás Hajtott kerék mozgása

3. feladatsor: Görbe ívhossza, görbementi integrál (megoldás)

Mérnöki alapok 9. előadás

ω = r Egyenletesen gyorsuló körmozgásnál: ϕ = t, és most ω = ω, innen t= = 12,6 s. Másrészről β = = = 5,14 s 2. 4*5 pont

Ó ű ű Á ú ű ű ú ú ú ű ű É ú É Á Á ú ű Ü Á Ü Á ű Ö Ú É Ó É Á Á Á Ű Á úá Á Ö É Ö É Ü

Egyenes vonalú mozgások - tesztek

FIZIKA FELVÉTELI MINTA

EGY REMÉNYTELENNEK TÛNÔ VEZÉRLÉSI PROBLÉMA A KLASSZIKUS ÉS MODERN FIZIKA HATÁRÁN

35. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny. III. forduló május 1. Gyöngyös, 9. évfolyam. Szakközépiskola

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

ü ú ú ú ú ü Á ü ű Ö ú ű ú ü ű ü ű Ö ű

Ö ü ú ü ű ü ű ü Á ü ű ű ú ű Á Ű ú ü ü ú ű Á ü Ú ü ű ü ü ű ü ú ú ü ú ü ü ü ü ü ü Ü Ü Ü ü Ö Ü ü ü ü ű ü ü ű ú ü ú

ú ú ű Ó

ü ű ü ü Ó ü

Á Á Á ű Á

Ö Ö Ö Ö Á ű ű ű ű ű ű ű ű ű ű

ő ó ó ó ő ó ő ó ő ő ő ó ö ó ó ö ő ő ö ő ö ű ó ő ő ű ő ő ö ő ó ó ő ö ó ö ő ő ű ó ö ő ő ű ő ő ő ö ó ü ó ő ő ő ő ű ő ö ő ü ő ő ó ő ö ö ö ő ó ő ő ő ó ü ö

ó ö ó ő ő ü ú ö ő ö ő ü ő ü ó ó ö ü ó ü ő ú ú ő Ú ú ó ő ő ó ú Ó Ö Ö Ö

Ó Ü Ó Ó Ó Ó Ó Á Ó Ó Ó

A Lorentz transzformáció néhány következménye

Fizika A2E, 11. feladatsor

F1301 Bevezetés az elektronikába Műveleti erősítők

Középszintű érettségi feladatsor Fizika. Első rész

Fizika Előadás

Fizika példák a döntőben

Á Á Ó É Á Ó É É Á Á ó ó é á ú í á á é á Á ó ű á ó í ó á á á ú ö űú é é ö ö ű ö ő á é ö ö é é ú ő á ú ő á ü á á ú ü á é ö ú ú á á á ú í á é ő é ó é é é

ö á á ö á ü á í á ö ü í ö ö ő ö á á ó ö á á á í ó á á á ő ő ú ú á á ó ó ó ő ö ü ö ö ü ö Ö á ő á á Ö á Í á ó á ő ü á ö á á ü ö ö á ö á á ö ó ü ú ő á í

Milyen erőtörvénnyel vehető figyelembe a folyadék belsejében a súrlódás?

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

37. Mikola Sándor fizikaverseny 2018 Döntő Gyöngyös, 9. évfolyam Gimnázium. Megoldások

Fourier-sorok konvergenciájáról

Egydimenziós instacionárius gázáramlás, nyíltfelszínű csatornabeli folyadékáramlás

GBN304G Alkalmazott kartográfia II. gyakorlat

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

Á ú ú ű ű ú ú Í ú ú Ö ű Ö ű Ö Ö ű ű ú ÍÍ Í ú Í Í Í Í Í ú ú

ö ő í ő ü ö ö í ö ö ö ű ő ö í ü í ö ű í ő ö ö ú ö í ö ö í ö ú ö ő í ö ő Á ű ö

Egy nyíllövéses feladat

á á ő ö á ő á ő ő őí á á á ő ö í í á ó ő í ó ó ö á á á á ó ö ö í á ő ö á ó í ő á á ű í á á ó á á í ó ó ö ü ö í ő ű í á ő á á á á á ó ö ö á á á ő ö ő ő

ö É Á É É Ú Ö É Á

3.1. ábra ábra

á ü ö ö ö ő í á ő ú á á ó í á ö öá á á ö á á á ő ö í ú ű ű ö ú í í ű ő á ő ü ó á ó ő í ííá ö á ó á ő ű ö ű á á á á ü í ő á í á á ü í á á í á á á ó ű ö

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

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

é ő é ó á é ő ó í á á é ö é á é í é á á é é ű á é ö ö ö ó é ü ö ö ő é ó é ő á í á é í é é á á é í ű ö é Í é ü ö é ó é ü á ű é á ö á Í é ő é á á ó ő é

7. osztály, minimum követelmények fizikából

HF1. Határozza meg az f t 5 2 ugyanabban a koordinátarendszerben. Mi a lehetséges legbővebb értelmezési tartománya és

MUNKAANYAG. Szabó László. Áramlástani alaptörvények. A követelménymodul megnevezése:

A rezgések dinamikai vizsgálata, a rezgések kialakulásának feltételei

2. gyakorlat: Z épület ferdeségmérésének mérése

A sebességállapot ismert, ha meg tudjuk határozni bármely pont sebességét és bármely pont szögsebességét. Analógia: Erőrendszer

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Egy mozgástani feladat

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

ü ú ú ü ú ú ú ú

ú ö ö ö ö ö ö Á ö ö ö á á á ű Ü ű ö ö Á á Á

3. ábra nem periodikus, változó jel 4. ábra periodikusan változó jel

Mechanika. Kinematika

ű ő ő ő

Á ó ó ó Ü Ü ó ó Ü ó ó ú ú ó ó Ü ó ó ó Ü ó ó

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

ö ö Á Á Ó Á ö ö ö ö ö ú ű ö ö Á Á ű ű ö ö ö ö ű

A diszkrimináns, paraméteres feladatok a gyökök számával kapcsolatosan

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

Ó Ó ö ú ö ö ö ö ü ú ú ö ö ö ú ú ö ö ö ú ú ú ű ö ö ú ö ü ö ö ö ö ü ú Á ö ü Á ö ö ö ö ö ö

Á Ö Ö Ö Ö ú ú Ö Ö Ó Ó ú ú Ü ú Ó Ö Ö Ü Ó Ö Ö Á Ó ú ú ú ű Ö Ö Ö Ö Á Ó Ö Ó ú ú Ö

ó ő ő ó ő ö ő ő ó ó ó ö ő ó ó ó ö ő ó ő ő ö Ö ő ö ó ő ö ő ő ú ö ö ü ö ó ö ö ö ő ö ö Ö ú ü ó ü ő ő ő ő ó ő ü ó ü ö ő ö ó ő ö ő ö ü ö ü ő ö ö ó ö ő ő ö

Á Ü É Ü Ú Ü É

ű Ú ű ű É Ú ű ű

Á Á ő ő Ö ő ő ö É ö ő ö ő ő ö ő ő ö ő ő ü ö

Á ű ó ó

Á Ó ű ű Á É ű ű ű ű Ú Ú

ű ű ű Ú Ú Á ű Ö ű ű Ú Ő É

ö ő ü ö ő ő ü ü ő ő ő ü ö ü ü ő ú ő ő ő ü ő ő ő ő ő ú ő ő ü ő ő ő ü ö ü ú ő ő ő ő ü ü ő ő ú

ű Ö ű Ú ű ű ű Á ű

Ó é é Ó Ó ő ű Ó Ö ü Ó é Ó ő Ó Á Ö é Ö Ó Ó é Ó Ó Ó Ó ú Ó Ó Ó Ó ű Ö Ó Ó Ó é Ó Ó ö Ö Ó Ö Ö Ó Ó Ó é ö Ö é é Ü Ó Ö Ó é Ó é ö Ó Ú Ó ő Ö Ó é é Ö ú Ó Ö ö ű ő

ú Ó ú ú ú ú ú ú ú É Á

í ű í Ü ő ö ö Á Á Á

ü ü Ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü É ü ü

É É Ö

ő ü ő ü ü Ö ő ő ü Ö ü Ö ü Ö ő ő

Ú ű É ű ű Ü Ü ű ű Ú É ű ű Ü ű ű ű ű ű ű ű Ú ű ű

Í ü ű Ö ö ö ü ö ö ü ü ö ö ű ű ö Í ű Á ö Á ö

É Á Á Ö Á

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

Átírás:

A FIZIKA TANÍTÁSA A TALAJÓL KÖSZÖÜLVE VISSZAPATTANÓ LABDA MECHANIKÁJA 1 ÉSZ Mikor paan föl a labda függôlegesen agy issza az eldobó kezébe? Horáh Gábor, Szferle Taás ELTE, Biológiai Fizika Tanszék Nagy-Czirok Lászlóné Kiszi Magdolna, Gudon Oliér, Nagy Norber Kiskunhalasi Fazekas Mihály Álalános Iskola Aszalienisz-érkôzések közben bizonyára ár indenki láo az aszalról furcsán isszapaanó pingponglabdá, ai a ne ár irányban paan issza, ondjuk függôlegesen, agy ég eglepôbb ódon isszafelé, egzaara az ellenfele E szokalan isszapaanási irányoka a labda speciális pörgô-ô ozgása okozza Ilyen rendkíüli iszszapaanásoka néha ás labdajáékok (például labdarúgás, röp-, kosár- és kézilabda) során is egfigyelheünk Vajon ilyen feléelek eljesülése elle paan issza egy labda a alajról pon függôlegesen, agy éppen issza az eldobó labdajáékos kezébe? Cikkünkben erre álaszolunk Az 1 részben részleesen árgyaljuk a alajról e-e isszapaanó pörgô labda echanikájá A 2 részben pedig az eléleileg leezee speciális isszapaanási irányoka állíjuk elô egy ornaereben kosár- és pingponglabdákkal, és indez filfeléelekkel, illee a belôlük készül képsorozaokkal szelélejük Írásunkkal egy sporechanikai példá uaunk arra, ikén kelheô föl a labdajáékoka kedelô és ûzô diákok érdeklôdése a fizika irán Visszapaanáskor belapuló labda függôleges irányú ozgása Tekinsük a alajról e isszapaanó, pörgô labda ozgásá Az sugarú, göb alakú labda ω szögsebességgel forogjon ízszines engelye körül, ai legyen erôleges a beesési és isszapaanási irány álal eghaározo függôleges síkra (1 ábra) A labda súlyá az üközésnél fellépô nagy alajerô elle elhanyagolhajuk, és a behorpadásáól elekine a labdá ere esnek ekinhejük Nagy-Czirok Lászlóné Kiszi Magdolna eserpedagógus, a Kiskunhalasi Fazekas Mihály Álalános Iskola aeaika-fizika szakos anára és igazgaója A haásos anulási-aníási eljárások alkalazása elle azok fejleszéséel és kuaásáal is foglalkozik A udásérképek anulás- és gondolkodásfejleszô ódszerérôl könye és folyóiracikkeke ír Tapaszalaai pedagógus szakizsgá adó képzésben a Budapesi Mûszaki és Gazdaságudoányi Egyee okaójakén is oábbadja Horáh Gábor fizikus, az MTA dokora, az ELTE Biológiai Fizika Tanszék Környezeopika Laboróriuának ezeôje A izuális környeze opikai sajáságai és az állaok láásá anulányozza, oábbá bioechanikai kuaásoka folya Száos szakai díj és kiüneés ulajdonosa Gudon Oliér 8 oszályos anuló, az iskola eheségprograjának agja, inforaika és édia eszközök és eljárások alkalazásáal, kreaí öleeiel járul hozzá a projekek sikeréhez Szferle Taás az ELTE fizika-földrajz anárszakos hallgaója, aaôr rögbijáékos BSc szakdolgozaá a rögbi fizikájáról íra Nagy Norber 8 oszályos anuló öbb erüleen eheséggondozo A Kárpá-edencei prózafelolasó ersenyen különdíjban részesül Az iskola Bozsik-prograban rész eô focicsapaának egyik erôssége 34 FIZIKAI SZEMLE 216 / 1

S y( ) 1 ábra A alajról e isszapaanó labda jellezôi : sugár, x: a labda függôleges irányú benyoódása, S: csúszó súrlódási erô, : sebességekor, x : ízszines sebességkoponens, y : függôleges sebességkoponens, ω: a ízszines szögsebességekor nagysága Köszörülésrôl akkor beszélünk, ha isszapaanáskor a labda x ( ) ízszines sebességkoponense ne egyezik eg a ω kerülei sebességéel: x ω Ilyenkor csúszási súrlódás lép föl a labda és a alaj közö, ai leginkább enisz- és pingpongecscseken figyelheô eg, de néha a labdarúgásban és ás labdajáékokban is apaszalhajuk e jelensége Aikor a labda a alajjal üközik, kissé benyoódik, ai a köekezô egyszerû ódon bizonyíhaunk: egy labda egyik felé ársuk ízbe, ajd ejsük egy száraz padlóra A labda a isszapaanása uán egy kerek, nedes folo hagy a padlón a benyoódása ia Ha a isszapaanás egy ado pillanaában a labda sugara függôleges irányban x -szel csökken (1 ábra), akkor az x -hez arozó göbsüeg V GS = π 2 (3 x) x 3 érfogaáal csökken a labda x V = 4 π 3 3 () x( ) érfogaa A V GS érfogaú göbsüegnyi belapuláskor ehá a labdaérfoga V = V V GS Miel a labda isszapaanása igen röid idôn belül egörénik, ezér a labdabeli gáz ezalai állapoálozásá adiabaikusnak (a külilággal aló hôcsere nélkülinek) ekinhejük A belapuló labdabeli gáz adiabaikus összenyoódására érényes állapoegyenle: p V κ = pvκ, ahol κ = c p /c V a labdá ölô gáz (álalában leegô) állandó p nyoáshoz, illee állandó V érfogahoz arozó c p, illee c V fajhôjének aránya Az elôbbiekbôl kapjuk a belapuló labdabeli p (x ) nyoás az x benyoódás függényében: 4 p(x) =p 3 4 3 x 3 3 x 2 Aikor a labda benyoódása x, a alajjal egy κ (1) belsô gáz álal kifeje erô p (x ) r 2 (x ) π A labdára a alaj F(x) = p(x) r 2 (x) π erôel ha issza, ahol p L a légköri nyoás, hiszen a labda alól ne szorul ki a leegô Ha a labda izes, agy izes aljzaról paan issza, akkor egy ízhárya an alaa Ekkor a ízháryabeli nyoás közelíôleg egegyezik a p L légköri nyoással, így a labdára iszszahaó alajerô ekkor is [p(x ) p L ] r 2 (x)π, agyis ekkor is csak a p (x) p L úlnyoás száí Innen adódik az x -szel belapuló, isszapaanó labdára függôlegesen fölfelé haó alajerô nagysága: F(x) = 2 x x 2 4 π p 3 4 3 x 3 3 x 2 (2) Kis benyoódásokkor x << 1, és ekkor x 2, x 3 elhanyagolhaóan kicsi Ekkor (2) a köekezôel közelíheô: F(x << 1) 2 π p x Dx, ahol D =2π p A föneik csak akkor érényesek, ha a labda fala ne ere, in a pingponglabdáé (ai kilyukasza is egarja göbalakjá, hiszen ne a belsô ölôgáz külsô légköri nyoáshoz képesi úlnyoása fúj föl göbbé, hane a labda ere fala arja a göbalako), hane hajlékony, in például a kosárlabdáé (ai kilyukasza eleszíi göbalakjá, összelaffad, er a ölôgáz úlnyoása fújja föl göbbé) De pingponglabdánál is igaz, hogy kis x benyoódások elle a rá isszahaó alajerô F (x << 1) Dx, csak a D állandó (3)-ól elérô ódon száolandó Ezér a D állandó ponos kifejezéséôl elekine a oábbiak ere falú labdákra is érényesek Newon II örénye szerin, kis x benyoódások eseén az öegû isszapaanó labda függôleges irányú ozgásának egyenlee F(x) = d2 x() d 2 = Dx(), κ (3) ai a haronikus rezgôozgás egyenlee, és a egoldása x() =A sin(ω ), ahol A a rezgés apliúdója és Ω =(D /) 1/2 =2π/T a körfrekenciája, ahonnan a rezgés periódusideje T =2π D Idôbeli szieriaokból kifolyólag, a labda alajjal örénô üközésének idôaraa r(x) = 2 x x 2 sugarú körfelüleen érinkezik, aire a p (x) nyoású ü = T 2 = π 2 p = π Ω (4a) A FIZIKA TANÍTÁSA 341

és ebbôl Ω körfrekenciája: Példának okáér, p L = 1 bar légköri nyoás eseén egy = 2 kg öegû, p =2bar=2 1 5 N/ 2 belsô nyoással =,15 sugarúra felfúj kosárlabda (4) szerini üközési ideje ü = 14,5 s Az x ( )=Asin(Ω) idô szerini deriálja a labda függôleges irányú sebességé adja: 2 ábra A és nélkül, e isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei α: beesési szög, β: isszapaanási szög, az alsó index a isszapaanás uáni égállapora ual, íg a index a kezdô érékekre Ω = π ü = = = 1 x = 2 π p y () =A Ω cos(ω ) cos y = sin y = y = x = x (4b) A labda függôleges sebességösszeeôjének nagysága a alajhoz csapódás = pillanaában y ( =) = y = sinα, ahol a labda becsapódási sebessége, α pedig a sebességekor ízszinesôl ér, lefelé irányuló szöge Innen az apliúdóra kapjuk: A = sinα 2 π p (5) Végül kapjuk a isszapaanáskor a labdára haó alajerô nagyságá az idô függényében: F() = sinα 2 π p sin 2 π p (6) F () olyan nagy, ai elle a labda g súlya elhanyagolhaó Visszapaanás e, és nélkül A alajra becsapódó, ajd isszapaanó labda ne, ha a x = cosα ízszines sebességösszeeôjének nagysága egegyezik az ω 1 kerülei sebességgel, és e ké sebességekor ellenées irányú, azaz a labda ízszines szögsebességekora balra ua, a labda haladási iránya felé néze (2 ábra): x = cosα = ω 1, ahonnan a becsapódáskori kezdô szögsebesség nagysága ω = ω 1 = cosα Miel a és ia ne lép fel csúszási súrlódási erô, ezér a labda ízszines sebességösszeeôje ne álozik Ezér a labda β isszapaanási szöge egegyezik az α beesési szöggel (2 ábra): α = β Miel ne lép fel súrlódási erô, ezér a labda forgásá se álozaja eg seilyen forgaónyoaék, így ω = ω = ω 1 = állandó Elôre pörgô, a ízszines sebessége gyorsíó és A lepaanó labda pörögjön elôre, ízszinesen balra uaó ω kezdei szögsebességekorral úgy, hogy a hárafelé uaó kezdei k = ω kerülei sebessége nagyobb legyen a ízszines irányú cosα kezdôsebességénél: k = ω > cosα = ω 1, ahonnan ω > ω 1 = cosα Így aikor kezdeben a labda a alajon arózkodik, egy elôre irányuló S = μ F() = d x d nagyságú csúszási súrlódási erô gyorsíja ízszinesen, ainek forgaónyoaéka M = S = μ F() = θ dω d, ahol μ a labda és a alaj közi csúszási súrlódási együhaó, θ pedig a labda eheelenségi nyoaéka a öegközépponján áenô engelyre onakozóan E ké differenciálegyenlee egolda kapjuk a labda ízszines sebességkoponensének üközés alai idôbeli álozására: x () = cosα és a labda szögsebességére: μ sinα 1 cos(ω) A labda addig, aíg az M súrlódási forga- ónyoaék ia lassuló ω( ) kerülei sebessége el ne éri az S súrlódási erô ia nöekô ízszines x ( ) sebességösszeeôjé Ezér a k1 ési idô a ω( k1 )= x ( k1 ) egyenlebôl kapjuk: ω() =ω μ sinα 1 cos(ω) θ k1 = 1 Ω arccos 1 θ cosα ω μ θ 2 sinα (7) 342 FIZIKAI SZEMLE 216 / 1

> < 1 x = cos y = sin y = y < x > x 3 ábra A ízszines sebessége éssel gyorsíó, elôre pörgô, isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei Aikor ár a alajon elkezd ésenesen ni a labda, akkor a k1 ési idô kisebb, in a ü üközési idô Ekkor ehá k1 < ü és x = x ( k1 )=ω( k1 ), agyis a labda, és ilyenkor a labda ízszines égsebesség-koponense 4 ábra A ízszines sebessége éssel gyorsíó, elôre pörgô, isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, azon ese felüneéséel, aikor a és a = k1 < ü idôponban ésbe egy á ég a ü üközési idô elô k x x ( = k1 < ü )= 2 cosα θ ω θ 2, alain β isszapaanási szöge (3 és 4 ábra): anβ( = k1 < ü )= k( ) x( ) k( )= () x( ) θ 2 θ ω cosα 2 k( )= () x anα (8) (9) Lehe olyan ese is, hogy aikor a labda éppen elpaanna a alajól, ég indig Ekkor a k1 ési idô nagyobb, in a ü üközési idô: k1 > ü, ahonnan x = x ( ü )<ω( ü ), és ilyenkor a labda ízszines égsebesség-koponense: x ( = ü < k1 )= (cosα 2 μ sinα), alain β isszapaanási szöge (3 és 4 ábra): anβ( = ü < k1 )= anα 1 2 μ anα (1) (11) Ilyenkor ehá a β isszapaanási szög kisebb lesz az α beesési szögnél a köekezô haárérékekkel (3 ábra): β(= k1 < ü, ω )=, β( = k1 < ü, ω = ω 1 ) = α A 4 ábra ázlaosan szelélei a ízszines sebessége éssel gyorsíó, elôre pörgô, isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során azon ese felüneéséel, aikor a és a = k1 < ü idôponban ésbe egy á, ég a ü üközési idô elô Elôre pörgô, a ízszines sebessége lassíó és Pörögjön a lepaanó labda elôre, ízszinesen balra uaó ω kezdei szögsebességekorral úgy, hogy a hárafelé uaó kezdei k = ω kerülei sebessége kisebb legyen a ízszines irányú cosα kezdôsebességénél: k = ω < cosα = ω 1, ahonnan: ω < ω 1 = cosα Így aikor kezdeben a labda a alajon arózkodik, egy hára irányuló S = μ F() = d x d nagyságú csúszási súrlódási erô lassíja ízszinesen, ainek forgaónyoaéka M = S = μ F() =θ dω d E ké ozgásegyenlee egolda kapjuk a labda ízszines sebességkoponensének idôbeli álozására az üközés ala: x () = cosα μ sinα 1 cos(ω) és a labda szögsebességére: ω() =ω μ sinα 1 cos(ω) θ (12) (13) A labda addig, aíg az M súrlódási forgaónyoaék ia gyorsuló ω( ) kerülei sebessége el ne éri az S súrlódási erô ia csökkenô ízszines x () sebességösszeeôjé Ezér a k2 ési idô egin az ω( k2 )= x ( k2 ) egyenle adja, ahonnan: k2 = 1 Ω arccos 1 θ cosα ω μ θ 2 sinα (14) k1 ü Mikor ár a alajon elkezd ésenesen gör- A FIZIKA TANÍTÁSA 343

< < 1 > x = cos x x( ) x( ) x y = sin y = y > k k( ) k( )= () k x < x 5 ábra A ízszines sebessége éssel lassíó, elôre pörgô, isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei dülni a labda, akkor a k2 ési idô kisebb, in a ü üközési idô Ekkor a labda x (= k2 < ü ) ízszines égsebesség-koponensé (8) és a β( = k2 < ü ) isszapaanási szögé (9) írja le (5 és 6 ábra) Lehe olyan ese is, hogy aikor a labda éppen elpaanna a alajól, ég indig Ekkor a k2 ési idô nagyobb, in a ü üközési idô: k2 > ü, aikor x = x ( ü )>ω( ü ) és a labda ég indig, és ilyenkor a labda ízszines égsebességkoponense x ( = ü < k2 )= (cosα 2 μ sinα), és β isszapaanási szögének angense anβ( = ü < k2 )= (5 és 6 ábra) Ilyenkor ehá a β isszapaanási szög nagyobb lesz az α beesési szögnél a köekezô haárérékekkel (5 ábra): β(= k2 < ü, ω =ω 1 )=αés anβ( = k2 < ü, ω =) = θ 7 ábra Függôlegesen fölfelé isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei, aikor a isszapaanás uán a labda ne forog: ω = = 2 anα 1 2 μ anα = 2 2 anα Ain az ω kezdô szögsebesség csökken, a β isszapaanási szög nô, és β a β(ω = ω 1 )=α β β(ω =) aroányban arad A 6 ábra ázlaosan szelélei a ízszines sebessége éssel lassíó, elôre pörgô, isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során k2 6 ábra A ízszines sebessége éssel lassíó, elôre pörgô, isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, azon ese felüneéséel, aikor a és a = k2 < ü idôponban ésbe egy á ég a ü üközési idô elô azon ese felüneéséel, aikor a és a = k2 < ü idôponban ésbe egy á ég a ü üközési idô elô Hárafelé pörgô, a ízszines sebessége lassíó és Vegyük os az az esee, aikor a labda hárafelé pörög, agyis szögsebességekora jobbra ua a labda haladási iránya felé néze, azaz ω Ekkor a köekezô háro speciális esee izsgáljuk: (i) függôleges fölfelé isszapaanás, (ii) hárafelé isszapaanás a beesési szögben és (iii) hárafelé isszapaanás, a égén éssel Függôleges fölfelé isszapaanás Ha a labda pon függôlegesen paan issza, akkor a isszapaanási szög β =9 A korábbiak alapján a ízszines sebességösszeeô (12) írja le, íg a szögsebesség idôbeli álozásá (13) β =9 akkor eljesül, ha x ( ü ) =, ahol ü a (4) szerini üközési idô Innen kapjuk az α beesési szögre: anα = 1 2μ, 8 ábra Függôlegesen fölfelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, aikor a isszapaanás uán a labda ne forog: ω = ü (15) x x( ) x = cos y = sin y = y = 9 an = 1/(2 ) x = k k( )= () ü 344 FIZIKAI SZEMLE 216 / 1

< 2 < x x( ) x = cos 9 ábra Függôlegesen fölfelé isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei, aikor a isszapaanás uán a labda forog: ω < és a isszapaanó labda ω égsô szögsebességére: y = sin y = y an = 1/(2 ) x = = 9 ω ü, anα = 1 2 μ = ω ω 2, ahol ω 2 = 2 μ θ 1 4 μ 2 > Tehá a labda csak akkor paan issza pon függôlegesen, ha a beesési szöge α = arcan 1 2 μ, (16) a isszapaanás uáni égszögsebessége pedig a (16) szerini A függôlegesen isszapaanó labda isszapaanás uáni szögsebességére ké ese leheséges: a isszapaanó labda (i) ne forog, (ii) hárafelé forog A függôlegesen isszapaan labda ne forog A (16) összefüggés szerin a függôlegesen isszapaanó labda ne forog, azaz ω =,haω = ω 2 Ekkor a 7 és 8 ábra uaja a isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei, alain ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során A függôlegesen isszapaan labda hárafelé forog A (16) összefüggés szerin a függôlegesen isszapaan labda hárafelé forog, agyis ω <,haω < ω 2 11 ábra A hárafelé isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei k k( )= () ü k 1 ábra Függôlegesen fölfelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, aikor a isszapaanás uán a labda hárafelé forog: ω < Ekkor a 9 és 1 ábra uaja a isszapaanó labda sebességekorainak koponensei és szögsebességei, alain ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során Hárafelé isszapaanás a beesési szögben Tekinsük az a speciális esee, aikor a labda ugyanabban az irányban paan issza, in ahonnan érkeze Ekkor a isszapaanási szög β = 18 α = π α A labda x () ízszines sebességösszeeôjének és ω( ) szögsebességének idôbeli álozásá (12) és (13) írja le A 11 ábráról leolashaóan: an(β = π α) = anα = sinα x ( ü ) (12) és (17)-bôl kapjuk: anα = 1 μ, (17) és (18)-a (13)-ba helyeesíe adódik a beesési szögben hárafelé isszapaanó labda ω égszögsebességére: ω ü, anα = 1 μ = ω ω 3 <, ahol ω 3 = 2 μ θ 1 μ 2 > (18) (19) Tehá a labda csak akkor paan issza hárafelé pon a beesési szögben, ha a beesési szöge x = cos α = arcan 1 μ y = sin x = x y = y = 18 és ekkor a isszapaanás uáni szögsebessége a (19) szerini A beesési szögben hárafelé isszapaanó labda a alajól aló elálás pillanaában ár éppen, de elôe égig, ha az elálás pillanaában a kerülei sebességének nagysága egegyezik a íz- A FIZIKA TANÍTÁSA 345

x k x( ) k( )= () 12 ábra A beesési szögben hárafelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, aikor a alajól aló elálás pillanaában a labda csúszásenesen, de elôe égig : x ( ü, α ) = ω( ü, α ) szines sebességkoponensééel: ü 14 ábra A hárafelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, aikor a labda a k2 idôponig, ajd uána égig a ü üközési idôponig x k x ( ü, α ) = k ( ü, α ) = ω( ü, α ), ahol ü és α kifejezésé (4) és (18) szolgálaja A (2) összefüggés csak akkor eljesül, ha a labda kezdei szögsebessége ω = ω 4 = μ θ 2 2 θ 1 μ 2 < x( ) k( )= () k2 ü x = k < (2) (21) Ekkor a 12 ábra uaja a labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során Ha iszon ω < ω 4, akkor x ( ü, α ) >ω( ü, α ), agyis a beesési szögben hárafelé isszapaanó labda a alajjal aló érinkezés ala égig : x (, α ) > ω(, α ) Ekkor a 13 ábra uaja a labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során Hárafelé isszapaanás, a égén éssel A hárafelé isszapaanó labda ése abban a k2 idôponban szûnik eg és kezd el ni, aikor a x ízszines sebességkoponense egyenlô lesz x k x( ) k( )= () x( ü, ) (, ) 13 ábra A beesési szögben hárafelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozása a alajjal aló érinkezés során, aikor a alajjal aló érinkezés ala a labda egyfolyában : x (, α ) > ω(, α ) a k kerülei sebességének nagyságáal: x ( k2 ) = k ( k2 )= ω( k2 )<,ω <, ai (12) és (13) felhasználásáal a (14) szerini k2 ési idôponra eze Ekkor a 14 ábra uaja a hárafelé isszapaanó labda ízszines sebességkoponensének és kerülei sebességének idôbeli álozásá a alajjal aló érinkezés során Végül haározzuk eg annak feléelé, hogy a alajjal aló érinkezés során egy darabig ô, ajd égül egy ideig ô labda ikor paan iszsza hárafelé ponosan a beesési szögben, aikor β = π α Ekkor a 11 ábráról leolashaóan: an(β = π α) = anα = sinα x ( k2 ) Ennek, alain (12) és (14) felhasználásáal kapjuk: ω = ω 5 = θ 2 2 θ (13), (14) és (22)-bôl kapjuk a isszapaanó labda égszögsebességére: ω( k )= cosα ü k ü cosα < < (22) (23) Ha ehá a labda kezdô szögsebessége a (22) szerini ω 5, akkor hárafelé éppen a beesési szögben (β = π α) paan issza, és ése éssé alakul ég a alajól aló elálás elô, égszögsebessége pedig a (23) szerini lesz Cikkünkben csak olyan függôleges síkban örénô isszapaanásokkal foglalkozunk, aikor a pörgô labda szögsebességekora ízszines A ferdén pörgô labda álalános esee bonyolul, er ekkor a beesési és isszapaanási irány, alain a ízszines aljza norálekora ne esik egy síkba Irodalo Szferle Taás: Fizika a rögbiben BSc Diploaunka, ELTE TTK, Biológiai Fizika Tanszék, Budapes (216) (éaezeô: Horáh G) 346 FIZIKAI SZEMLE 216 / 1