Zadanie 3.4.2.2

 Zadanie 3.4.2.2

Lina przerzucona przez bloczek
Na końcach nieważkiej i nierozciągliwej nici, przerzuconej przez nieważki blok, zawieszono ciężarki o masach \(m_1=2\,\mathrm{kg}\) i \(m_2=3\,\mathrm{kg}\). Lżejszy z nich znajduje się o \(2\,\mathrm{m}\) niżej od cięższego. Wszelkie opory ruchu pomijamy. Ile wynosi naprężenie nici podczas ruchu ciężarków i wartość przyspieszenia klocków, jeśli puścimy je swobodnie? Po jakim czasie ciężarki znajdą na tej samej wysokości?

 Rysunek

Rysunek

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 pierwszego ciężarka \(m_1=2\,\mathrm{kg}\),
- masa drugiego ciężarka \(m_2=3\,\mathrm{kg}\),
- różnica wysokości pomiędzy położeniami ciężarków \(d=2\,\mathrm{m}\),
- przyspieszenie grawitacyjne \(\displaystyle{g=10\,\mathrm{\frac{m}{s^2}} }\).

Szukane:
- naprężenie nici podczas ruchu ciężarków \(F_N\),
- wartość przyspieszenia klocków \(a\),
- czas, po którym ciężarki znajdą się na tej samej wysokości \(t\).

Odpowiedź

Naprężenie nici podczas ruchu ciężarków wynosi \(F_N=24\,\mathrm{N}\), wartość przyspieszenia \(\displaystyle{a=2\,\frac{m}{s^2} }\). Na tej samej wysokości ciężarki znajdą się po \(1\,\mathrm{s}\) ruchu.

Polecenie

Jeśli puścimy klocki swobodnie to klocek cięższy \(m_2\) zacznie opadać w dół, a klocek lżejszy \(m_1\) - w górę. Zastanów się, jakie siły działają na klocki i nić. Zapisz układ równań, który opisuje działające siły w omawianej sytuacji. Wybierz spośród czterech jeden układ, który przypomina Twój wynik.

Wybór 1 z 4

\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=F_N-m_1\,g\\ a\,m_2=m_2\,g-F_N \end{matrix}\right.\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=F_N+m_1\,g\\ a\,m_2=F_N+m_2\,g \end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=F_N-m_1\,g\\ a\,m_2=F_N-m_2\,g \end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=m_1\,g-F_N\\ a\,m_2=F_N-m_2\,g \end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Ponieważ nić jest nierozciągliwa, ciężarki poruszają się z jednakową prędkością i przyspieszeniem. Każdy z ciężarków porusza się pod wpływem następujących sił: siły ciężkości skierowanej w dół oraz siły naprężenia nici skierowanej w górę. Ponieważ nić i bloczek są nieważkie, to wartości sił naprężenia obu końców nici są takie same. Do momentu spotkania każdy z ciężarków przebędzie tę samą drogę \(1\,\mathrm{m}\), będącą połową odległości pomiędzy nimi.

Rysunek

Na rysunku narysowane są siły działające na ciężarki o masach \(m_1\) i \(m_2\). Odpowiednio Są to: siły ciężkości \(P_1\) i \(P_2\) oraz siły naciągu nici \(F_{N1}\) i \(F_{N2}\). Ponieważ nić i bloczek są nieważkie to wartości \(F_{N1}\) i \(F_{N2}\) są takie same - na diagramie sił długości wektorów \(F_{N1}\) i \(F_{N2}\) są jednakowe.

Uwzględniając fakt, że wszystkie siły w układzie działają wzdłuż tych samych, albo równoległych prostych, na poniższym rysunku wektory został zastąpione ich wartościami bezwzględnymi. Uwzględniono, że wartości sił ciężkości wynoszą: \(P_1=m_1\,g\) i \(P_2=m_2\,g\), a wartości sił naprężenia nici są jednakowe – zostały oznaczone \(F_N\).

Rysunek

Na podstawie diagramu sił oraz II zasady dynamiki, możemy napisać równania:
\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=F_N-m_1\,g\\ a\,m_2=m_2\,g-F_N \end{matrix}\right.\)

Polecenie

Wyznacz wartość przyspieszenia oraz naciągu nici. Wybierz jedną prawidłową odpowiedź, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(\displaystyle{a=0,5\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\)
\(F_N=6\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\displaystyle{a=1\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\)
\(F_N=12\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\displaystyle{a=1,5\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\)
\(F_N=18\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\displaystyle{a=2\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\)
\(F_N=24\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie

Przekształcając układ równań

\(\left\{\begin{matrix} a\,m_1=F_N-m_1\,g\\ a\,m_2=m_2\,g-F_N \end{matrix}\right.\)
otrzymujemy
  Dodając stronami powyższe równania mamy: \[am_1+am_2=-m_1g+m_2g+F_N-F_N\] \[a(m_1+m_2)=g(m_2-m_1)\] 
\(\displaystyle{a=\frac{(m_2-m_1)g}{m_1+m_2}}\)
\(\displaystyle{a=\frac{(3-2)\cdot 10}{2+3}=2\,\mathrm{\frac{m}{s^2}}}\)

W celu obliczenia naciągu nici przekształcamy pierwsze równanie układu równań do postaci

\(F_N=am_1+gm_1=m_1(a+g)\)
\(F_N=2\cdot (2+10)=24\,\mathrm{N}\)

Polecenie

Oblicz, po jakim czasie ciężarki znajdą na tej samej wysokości. Wybierz jedną prawidłową odpowiedź, wśród trzech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 3

\(t=0,5\,\mathrm{s}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 3

\(t=1\,\mathrm{s}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 3

\(t=1,5\,\mathrm{s}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Ruch ciężarków jest ruchem jednostajnie przyspieszonym z prędkością początkową równą zero. Dla tego ruchu równanie wiążące drogę i czas ruchu, którego rozwiązaniem jest szukany czas ruchu ciężarków do momentu ich spotkania, ma postać:

\(\displaystyle{\frac{d}{2}=\frac{at^2}{2} }\)

\(d=at^2\)

\(\displaystyle{t=\sqrt{\frac{d}{a}}}\)

\(\displaystyle{t=\sqrt{\frac{2}{2}}=1\,\mathrm{s} }\)  \(\displaystyle{\mathrm{\sqrt{\frac{m}{\frac{m}{s^2}}}=\sqrt{s^2}=s }}\)

Odpowiedź

Naprężenie nici podczas ruchu ciężarków wynosi \(F_N=24\,\mathrm{N}\), wartość przyspieszenia \(\displaystyle{a=2\,\frac{m}{s^2} }\). Na tej samej wysokości ciężarki znajdą się po \(1\,\mathrm{s}\) ruchu.