Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok
Informatika rovattal
Kiadja a MATFUND Alapítvány
Már regisztráltál?
Új vendég vagy?
Fizika — Mintamegoldás

A P. 5645. fizika feladat megoldása

Szerk

P. 5645. Egy motoros \(\displaystyle 36~\mathrm{km}/\mathrm{h}\) sebességgel hajt be egy félkör alakú, ,,visszafordító'' kanyarba. Az aszfalt és a kerekek közötti tapadási súrlódási együttható \(\displaystyle 0{,}58\). A motoros mindvégig egy \(\displaystyle 40~\mathrm{m}\) sugarú köríven tartja járművét (pontosabban a motor és a motoros közös tömegközéppontját), és közben végig egyenletesen növeli annak sebességét.

a) Legfeljebb hány \(\displaystyle \mathrm{m}/\mathrm{s}\)-mal növelheti a motoros másodpercenként a sebességét?

b) Mekkora sebességre gyorsulhat fel a versenyző a kanyar végére?

c) Hogyan változik a motoros függőlegessel bezárt szöge a kanyarban?

(5 pont)

Közli: Kis Tamás, Heves

Megoldás. A motorosra függőleges irányban az \(\displaystyle mg\) nehézségi erő és a talaj \(\displaystyle N\) nyomóereje, vízszintes irányban pedig az \(\displaystyle S\) tapadási súrlódási erő hat. A függőleges erők eredője nulla, a vízszintes erő biztosítja a motor \(\displaystyle a\) gyorsulását. A motor akkor nem csúszik meg, ha

$$\begin{gather*} ma=S\leq\mu N=\mu mg,\\ a\leq\mu g.\tag{1} \end{gather*}$$

a) és b) Az \(\displaystyle r\) sugarú körpályán mozgó motoros gyorsulása két, egymásra merőleges komponensre bontható: az érintőirányú \(\displaystyle a_{\mathrm{t}}\) komponens a feladat szövege szerint állandó, a centripetális gyorsulás viszont a sebesség növekedésével nő, hiszen

\(\displaystyle a_{\mathrm{cp}}=\frac{v^2}{r}. \)

A motoros gyorsulása a két komponens eredője, ennek nagysága:

\(\displaystyle (2) \)\(\displaystyle a=\sqrt{a_{\mathrm{t}}^2+a_{\mathrm{cp}}^2},\)

amely így akkor lesz a legnagyobb, amikor a sebesség a legnagyobb, tehát a ,,visszafordító kanyar'' végén. Legyen ekkor a motoros sebessége \(\displaystyle v\). A \(\displaystyle v_0\) kezdősebességről egyenletesen gyorsuló motoros átlagsebessége:

\(\displaystyle v_\textrm{átl}=\frac{v+v_0}{2}, \)

az \(\displaystyle s=r\pi\) hosszúságú körív megtételéhez szükséges idő:

\(\displaystyle t=\frac{s}{v_\textrm{átl}}=\frac{2r\pi}{v+v_0}. \)

A motoros érintőirányú gyorsulása:

\(\displaystyle (3) \)\(\displaystyle a_{\mathrm{t}}=\frac{\Delta v}{t}=\frac{v-v_0}{t}=\frac{(v-v_0)(v+v_0)}{2r\pi}=\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi},\)

a teljes gyorsulása pedig (2) alapján:

\(\displaystyle a=\sqrt{\left(\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi}\right)^2+\left(\frac{v^2}{r}\right)^2}. \)

Az (1) feltétel szerint

$$\begin{gather*} a^2\leq(\mu g)^2,\\ \left(\frac{v^2-v_0^2}{2r\pi}\right)^2+\left(\frac{v^2}{r}\right)^2\leq(\mu g)^2,\\ \frac{v^4-2v_0^2v^2+v_0^4}{4r^2\pi^2}+\frac{v^4}{r^2}\leq\mu^2g^2,\\ (1+4\pi^2)v^4-2v_0^2v^2+v_0^4-4r^2\pi^2\mu^2g^2\leq 0. \end{gather*}$$

Határesetben ez \(\displaystyle v^2\)-re egy másodfokú egyenlet. A numerikus adatokat behelyettesítve és megoldva, majd a pozitív megoldásból gyököt vonva:

\(\displaystyle v_{\mathrm{max}}\approx 15~\mathrm{m}/\mathrm{s}, \)

amiből (3) alapján a maximális érintőirányú gyorsulás (a ,,másodpercenkénti sebességnövelés maximális értéke''):

\(\displaystyle a_{\mathrm{t,max}}=\frac{v_{\mathrm{max}}^2-v_0^2}{2r\pi}\approx 0{,}5~\mathrm{m}/\mathrm{s}^2. \)

c) A motorosra a hozzá rögzített gyorsuló vonatkoztatási rendszerben tehetetlenségi erők is hatnak. A motoros bedőlése szempontjából a pályájára merőleges centrifugális erőnek van szerepe. Az ábrán látható, hogy a talajjal való érintkezési pontra vonatkoztatva a \(\displaystyle G=mg\) nehézségi erőnek és az \(\displaystyle F_{\mathrm{cf}}=m\tfrac{v^2}{r}\) centrifugális erőnek van forgatónyomatéka (az \(\displaystyle O\) ponton átmenő, a nyomóerőből és a súrlódási erőből összetevődő \(\displaystyle K\) kényszererőnek nincs).

Feltéve, hogy a folyamatosan változó sebességgel a bedőlés szöge is folyamatosan és aránylag lassan változik (a teljes kanyart \(\displaystyle t\approx 10~\mathrm{s}\) alatt teszi meg a motoros), a forgatónyomatékok egyensúlyát írjuk fel:

\(\displaystyle mg\ell\sin\alpha=m\frac{v^2}{r}\ell\cos\alpha, \)

ahol \(\displaystyle \ell\) a tömegközéppont távolsága az érintkezési ponttól és \(\displaystyle \alpha\) a motoros függőlegessel bezárt szöge. Ebből a keresett szög a sebesség függvényében:

\(\displaystyle \alpha=\arctg\frac{v^2}{gr}. \)

Ez a szög a teljes visszakanyarodás közben fokozatosan \(\displaystyle \alpha_{\mathrm{min}}=\arctg\tfrac{v_0^2}{gr}\approx 14^\circ\) értékről \(\displaystyle \alpha_{\mathrm{max}}=\arctg\tfrac{v^2}{gr}\approx 30^\circ\) értékre növekszik.

Ujpál Bálint (Miskolci Herman O. Gimn., 12. évf.)

Megjegyzések. 1. Eredményeink nem függenek a tömegközéppont magasságától és a rendszer tömegétől.

2. Az ábrán csak a motoros haladási irányára merőleges síkban ható erőket ábrázoltuk. A sebességét növelő motorra a haladási irányába is hat súrlódási erő, a motoros vonatkoztatási rendszerében pedig azzal ellentétes irányba egy \(\displaystyle ma_{\mathrm{t}}\) nagyságú tehetetlenségi erőt is figyelembe kell vennünk. Ennek az erőnek a forgatónyomatéka a motort hátra akarja dönteni, amit a két kerékre ható eltérő nyomóerők forgatónyomatéka egyenlít ki. (Ha a gyorsulás nagyon nagy, akkor az első kerék meg is emelkedhet.) Ennek vizsgálatát azonban a feladat nem kéri, és a motor geometriai adatainak – a kerekek távolságának és a tömegközéppont magasságának – ismerte nélkül nem is tudnánk számításokat végezni.

25 dolgozat érkezett. Helyes Ujpál Bálint megoldása. Kicsit hiányos (3–4 pont) 9, hiányos (1–2 pont) 10, hibás 5 dolgozat.

Matfund — Támogatás

Kérjük, támogassa adója 1%-ával a KöMaL-t!

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!

Felhívás — KöMaL Ankét

KöMaL Ifjúsági Ankét és Díjátadó 2026

Időpont: 2026. október 29-30.

Helyszín: Bornemisza Péter Gimnázium (1107 Budapest, Száva u. 1.)

Regisztráció: diákoknak (gmail-es címmel) és felnőtteknek és nem gmail-es címmel diákoknak

Program a teljes cikkben.

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. áprilisi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. májusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. szeptemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. októberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

Fizika — Mintamegoldás

A P. 5711. fizika feladat megoldása

P. 5711. Öt egyforma \(\displaystyle C\) kapacitású kondenzátor és egy \(\displaystyle U\) belső feszültségű ideális telep felhasználásával az ábrán látható egyszerű áramkört hozzuk létre.

a) Mekkora töltés halmozódik fel a középső kondenzátor fegyverzetein?

b) Hogyan változik ez az érték, ha az egyik kondenzátort \(\displaystyle nC\) kapacitású kondenzátorra cseréljük?

Közli: Németh Róbert, Budapest

Fizika — Mintamegoldás

Az M. 449. mérési feladat megoldása

M. 449. Készítsünk torziós ingát egy befőttesüvegből úgy, hogy az üveget függőleges helyzetében két párhuzamos cérnával felfüggesztjük. (A cérnaszálak hossza legyen 1 méter, távolságuk pedig egyezzen meg az üveg szájának átmérőjével. A csavaros tető segítségével rögzíthetőek.)

Mérjük meg a torziós inga lengésidejét az üvegbe töltött kristálycukor mennyiségének függvényében!

(6 pont)

Közli: Szabó Endre, Vágfüzes (Szlovákia)