Zadanie 3.3.2.3

 Zadanie 3.3.2.3

Opory powietrza
Balon o masie \(300\,\mathrm{kg}\) opada pionowo w dół z prędkością \(\displaystyle{3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\). Na balon działa, oprócz siły ciężkości i siły wyporu powietrza, również siła oporu o wartości \(R=b\,v\), gdzie \(v\) - wartość prędkości, a \(\displaystyle{b=100\,\mathrm{\frac{Ns}{m}}}\). Jaką masę balastu należy wyrzucić z balonu, aby zaczął poruszać się z prędkością \(\displaystyle{3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\) do góry.

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 balonu \(M=300\,\mathrm{kg}\),
- prędkością balonu \(\displaystyle{v=3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\),
- wartość siły oporu powietrza \(R=b\,v\), gdzie \(\displaystyle{b=100\,\mathrm{\frac{Ns}{m}}}\),
- przyspieszenie ziemskie \(\displaystyle{g=10\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\).

Szukane:
- masa  balastu należy jaką wyrzucić z balonu \(m\).

Odpowiedź

Aby balon poruszał się z prędkością \(\displaystyle{3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\), należy wyrzucić \(60\, \mathrm{kg}\) balastu.

Polecenie

Wybierz, wśród dwóch, jedno stwierdzenie pasujące do treści zadania.

Wybór 1 z 2

Ponieważ balon ma poruszać się zarówno w dół i w górę ze stałą prędkością, to zgodnie z I zasadą dynamiki, wypadkowa sił jest równa zeru.

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 2

Ponieważ balon ma poruszać się zarówno w dół i w górę ze stałą prędkością, to zgodnie z II zasadą dynamiki, wypadkowa sił jest równa zeru.

Odpowiedź nieprawidłowa

Analiza sytuacji

Ponieważ balon ma poruszać się zarówno w dół i w górę ze stałą prędkością to zgodnie z I zasadą dynamiki, wypadkowa sił jest równa zeru. Druga zasada dynamiki mówi nam o efekcie działania siły na swobodne ciało. Siła nadaje ciału przyspieszenie, czyli zmienia prędkość ciała. Z treści zadania wynika, że ciało nie ma przyspieszać, tylko poruszać się ze stałą prędkością.

Na balon działają trzy siły: siła ciężkości, siła wyporu powietrza \(W\) oraz siła oporu \(R\). Siła ciężkości przy ruchu balonu w dół wynosi \(Mg\), a przy ruchu w górę, po wyrzuceniu balastu o masie \(m\), wynosi \((M – m)g\). Kierunek siły oporu powietrza jest przeciwny do kierunku ruchu balonu.

Na rysunkach poniżej przedstawiono diagramy sił dla obu przypadków w jedno-wymiarowym układzie współrzędnych - osi \(y\) skierowanej w górę. Na diagramach siły są reprezentowane przez ich wartości bezwzględne.

Lot balonu w dół
Lot balonu w dół
Lot balonu w górę
Lot balonu w górę

Polecenie

Oblicz masę balastu, jaką należy wyrzucić z balonu, aby wznosił się on z prędkością \(\displaystyle{3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\). Poniżej przedstawione są cztery wyniki. Wybierz jeden prawidłowy.

Wybór 1 z 4

\(m=20\,\mathrm{kg}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(m=40\,\mathrm{kg}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(m=60\,\mathrm{kg}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 4 z 4

\(m=80\,\mathrm{kg}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Zgodnie z I zasadą dynamiki warunki równowagi sił dla obu przypadków mają postaci:

  • dla opadania balonu
\(\sum F_y=W+R-Mg=0\)
  • dla wznoszenia balonu
\(\sum F_y=W-R-(M-m)g=0\)

W ten sposób otrzymaliśmy układ z dwoma niewiadomymi \(m\) oraz \(R\).
Po  \[\left\{\begin{matrix} W=& Mg-R\\ W=&(M-m)g+R \end{matrix}\right.\] \[Mg-R=Mg-mg+R\] \[0=-mg+R+R\] \[mg=2R\]  otrzymujemy:
\(\displaystyle{m=\frac{2b\,v}{g}}\)
\(\displaystyle{m=\frac{2\cdot 100\cdot3}{10}=60}\)
\(m=60\,\mathrm{kg}\)
 \[\displaystyle{\frac{\frac{Ns}{m}\cdot \frac{m}{s}}{\frac{m}{s^2}}=N\cdot \frac{s^2}{m}=kg\cdot\frac{m}{s^2}\cdot \frac{s^2}{m}=kg}\] 

 Zauważmy, że aby spowodować ruch ze stałą prędkością o takiej samej wartości w górę, jak prędkość opadania, należy wyrzucić masę balastu, która nie zależy od masy samego balonu. 

Odpowiedź

Aby balon poruszał się z prędkością \(\displaystyle{3\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\), należy wyrzucić \(60\, \mathrm{kg}\) balastu.