Zadanie 3.1.2.2

 Zadanie 3.1.2.2

Poruszający się układ ciał
Dwa klocki, połączone sznurkiem, są podnoszone pionowo w górę ze stałą prędkością \(\displaystyle{3\ \mathrm{\frac{m}{s}}}\). Wiedząc, że masa górnego i dolnego klocka wynosi odpowiednio \(2\ \mathrm{kg}\) i \(1 \ \mathrm{kg}\), oblicz siłę naprężenia łączącego je sznurka.

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź, klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- masa klocka zawieszonego wyżej \(m_1 =2\,\mathrm{kg} \),
- masa klocka zawieszonego niżej \(m_2 =1\,\mathrm{kg} \),
- prędkość podnoszenia klocków \(\displaystyle{v=3 \,\mathrm{\frac{m}{s}}}\).

Szukane:
- siła naprężenia sznurka łączącego klocki \(\vec{F}_{N2}\).

Odpowiedź

Siła naprężenia sznura łączącego oba klocki wynosi \(10 \,\mathrm{N}\).

Polecenie

Wybierz jeden prawidłowy rysunek wśród dwóch przedstawionych poniżej.

Rysunek 1 z 2

Rysunek 1

Odpowiedź nieprawidłowa
Siła naciągu skierowana w dół jest nieprawidłowo oznaczona.

Rysunek 2 z 2

Rysunek 2

Odpowiedź prawidłowa

Polecenie

Na podstawie rysunków napisz układ równań opisujących działanie sił. Wybierz jeden prawidłowy układ równań z czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{P}_{2}=0\\ \vec{F}_{N2}=0\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa
Równanie jest poprawne, ale nie pozwala obliczyć siły \(\vec{F}_{N2}\).

Wybór 2 z 4

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{F}_{N2}=0\\ \vec{F}_{N2}-\vec{P}_2=0\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}+\vec{P}_1+\vec{F}_{N2}=0\\ \vec{F}_{N2}+\vec{P}_2=0\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{F}_{N2}=0\\ -\vec{F}_{N2}-\vec{P}_2=0\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Na dolny klocek działają dwie siły: skierowana w dół siła ciężkości \(\vec{P}_2\) o wartości \(m_2 g\) oraz skierowana w górę siła naprężenia sznura łączącego klocki \(\vec{F}_{N2}\). Natomiast na górny klocek działają trzy siły: skierowana w dół siła ciężkości \(\vec{P}_1\) o wartości \(m_1 g\), skierowana w dół siła naprężenia sznura łączącego klocki \(\vec{F}_{N2}\) oraz skierowana w górę siła naprężenia sznura, na którym zawieszony jest cały układ \(\vec{F}_{N1}\).
Na podstawie powyższych rozważań możemy zapisać równania opisujące działanie sił dla każdego klocka osobno.
 Gdybyśmy zapisali tylko jedno równanie w formie skalarnej dla całego układu: \[\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{F}_{N2}+\vec{F}_{N2}-\vec{P}_2=0\] to byłoby ono wprawdzie poprawne, ale nieprzydatne w naszym zadaniu. Mamy obliczyć siłę naprężenia w \(\vec{F}_{N2}\) w sznurze łączącym klocki, a ta właśnie siła redukuje się z równania w trakcie rozwiązywania. \[\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{P}_2=0\] Dlatego lepiej zapisać dwa równania – po jednym dla każdego klocka.  

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{F}_{N2}=0\\ \vec{F}_{N2}-\vec{P}_2=0\end{matrix}\right.\)

Rozwiązanie

Na podstawie powyższych rozważań możemy zapisać równania, opisujące działanie sił dla każdego klocka osobno.

\(\left\{\begin{matrix}\vec{F}_{N1}-\vec{P}_1-\vec{F}_{N2}=0\\ \vec{F}_{N2}-\vec{P}_2=0\end{matrix}\right.\)

W tym momencie można zauważyć jedną ważną rzecz – równanie dla pierwszego klocka nie jest nam w ogóle potrzebne! W drugim równaniu mamy tylko dwie siły: szukaną \(\vec{F}_{N2}\) oraz znaną \(\vec{P}_2\). Czyli, żeby obliczyć wartość siły naprężenia w sznurze łączącym oba klocki, nie potrzebujemy informacji o górnym klocku i działających na niego siłach.

Pamiętając, że wartość siły ciężkości działającej na niższy klocek ma wartość \(P_2=m_2g\) otrzymujemy: \[ \eqalign{ \vec{F}_{N2} - \vec{P}_2 &= 0 \\ F_{N2} - m_2g &= 0 \\ F_{N2} &= m_2g =1 \cdot 10=10\,\mathrm{N} } \]
 Naprężenie sznurka łączącego oba klocki, nie zależy ani od masy górnego klocka, ani od prędkości, z jaką się one poruszają. Naprężenie sznurka miałoby taką samą wartość, gdyby górnego klocka nie było, lub gdyby klocki nie poruszały się.