Szerk
P. 5707. Eduárd egy hosszú, állandó hajlásszögű lejtőn gurul lefelé a kerékpárjával egyenletes sebességgel. Hogyan függ a sebességtől a fékeken disszipálódó teljesítmény?
Eduárd tömege biciklivel együtt \(\displaystyle m\), a lejtő hajlásszöge \(\displaystyle \alpha\), és fékezés nélkül Eduárd \(\displaystyle v_{\mathrm{max}}\) sebességre gyorsulna fel.
(4 pont)
Közli: Bodor András, Budapest
Megoldás. A gördülési ellenállás elhanyagolható a légellenálláshoz képest, ezért azt nem vesszük figyelembe. A \(\displaystyle v_{\mathrm{max}}\) maximális sebességet akkor éri el a biciklis, ha egyáltalán nem fékez, ilyenkor a közegellenállási erő egyensúlyt tart a nehézségi erő lejtőirányú komponensével:
\(\displaystyle mg\sin\alpha=\frac{1}{2}c\varrho Av_{\mathrm{max}}^2=kv_{\mathrm{max}}^2, \)
ahol \(\displaystyle k\) a \(\displaystyle c\) alaktényezőtől, a levegő \(\displaystyle \varrho\) sűrűségétől és a biciklis \(\displaystyle A\) keresztmetszetétől függő, de a sebességtől független állandó. Az egyenletből:
\(\displaystyle k=\frac{mg\sin\alpha}{v_{\mathrm{max}}^2}. \)
Ha a biciklis \(\displaystyle v<v_{\mathrm{max}}\) állandó sebességgel gurul, akkor a közegellenállási erő és a fékezőerő összege tart egyensúlyt a nehézségi erő lejtőirányú komponensével:
\(\displaystyle mg\sin\alpha=kv^2+F_{\mathrm{f}}, \)
amiből a fékezőerő:
\(\displaystyle F_{\mathrm{f}}=mg\sin\alpha-kv^2=mg\sin\alpha\left(1-\frac{v^2}{v_{\mathrm{max}}^2}\right). \)
A fékezőerő teljesítménye \(\displaystyle -F_{\mathrm{f}}\,v\), tehát a féken disszipálódó hőteljesítmény:
\(\displaystyle P_{\mathrm{f}}(v)=F_{\mathrm{f}}\,v=mg\sin\alpha\left(1-\frac{v^2}{v_{\mathrm{max}}^2}\right)v. \)
Molnár Lili (Szolnok, Verseghy Ferenc Gimn., 12. évf.)
Megjegyzés. A \(\displaystyle P_{\mathrm{f}}\,(v)\) függvényt az ábrán látható grafikonon ábrázoltuk.
Látható, hogy a grafikonnak valahol a \(\displaystyle 0<v<v_{\mathrm{max}}\) tartományon maximuma van. Ez érthető, hiszen nagyon kis \(\displaystyle v\) sebességnél ugyan nagy erővel kell fékezni, de a \(\displaystyle {P_{\mathrm{f}}=F_{\mathrm{f}}\,v}\) miatt minimális a fékteljesítmény, a határsebességhez közeledve pedig az \(\displaystyle F_{\mathrm{f}}\) fékerő csökken. A maximumhelyet és a maximum értékét le lehet olvasni a grafikonról, vagy deriválással lehet meghatározni:
25 dolgozat érkezett. Helyes 15 megoldás. Kicsit hiányos (3 pont) 4, hiányos (1–2 pont) 5, hibás 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!
Program
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.
G. 921. Gyerekek egy \(\displaystyle 10^\circ\)-os hajlásszögű hegyoldalon szánkóznak. A hegy alján a lejtő vízszintes felületben folytatódik. A jeges hóréteg mindenütt egyforma, így a súrlódási együttható értéke a lejtőn és a vízszintes felületen megegyezik. A szánkó kezdősebesség nélkül indul el a lejtő tetejéről, majd a lejtő aljára érve tovább csúszik a vízszintes szakaszon, ahol végül megáll. A szánkó harmad annyi idő alatt csúszott le a lejtőn, mint amennyi ideig mozgott a vízszintes szakaszon.
a) Hányszor hosszabb utat tett meg a szánkó a vízszintes szakaszon, mint a lejtőn?
b) Határozzuk meg a csúszási súrlódási együttható értékét!
c) A lecsúszás után az egyik gyerek visszahúzza a kiindulási pontra a szánkót. Hányszor több munkát végez a lejtőn, mint a vízszintes részen történő húzás közben? (A gyerek mindig a talajjal párhuzamos erőt fejt ki, és egyenletesen mozog.)
Tarján Imre fizikaverseny, Szolnok
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
