Zadanie 3.6.2.2

 Zadanie 3.6.2.2

Samochód na moście
Samochód o masie \(1200\,\mathrm{kg}\) porusza się z prędkością \(\displaystyle{72\,\mathrm{\frac{km}{h}} }\) po wypukłym moście, którego promień krzywizny wynosi \(50\,\mathrm{m}\). Jaka jest wartość siły nacisku, którą samochód wywiera na środek mostu? Zadanie rozwiąż w układzie nieinercjalnym związanym z samochodem.

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:
- promień krzywizny mostu \(r=50\,\mathrm{m}\),
- prędkość samochodu \(\displaystyle{v=72\,\mathrm{\frac{km}{h}}=20\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\),
- masa samochodu \(m=1200\,\mathrm{kg}\),
- przyspieszenie ziemskie \(\displaystyle{g=10\,\mathrm{\frac{m}{s^2}} }\),

Szukane:
- wartość  siły nacisku jaką samochód wywiera na środek mostu \(F_N\).

Odpowiedź

Wartość siły nacisku, którą samochód wywiera na środek mostu, wynosi \(F_N=2,4\,\mathrm{kN}\).

Polecenie

Narysuj diagram sił działających na samochód. Wybierz jeden prawidłowy rysunek, spośród dwóch przedstawionych poniżej. Na rysunkach siły są reprezentowane przez ich wartości bezwzględne.

Wybór 1 z 2

Rysunek

Odpowiedź nieprawidłowa
Na rysunku nie ma wszystkich zaznaczonych sił działających na obserwatora w układzie nieinercjalnym.

Wybór 2 z 2

Rysunek

Odpowiedź prawidłowa
Wyobraźmy sobie układ nieinercjalny i obserwatora, względem którego samochód jest w spoczynku. Układem takim może być układ związany z tym samochodem, a obserwatorem nieinercjalnym – kierowca tego samochodu. Obserwator nieinercjalny widzi samochód w spoczynku, a działające na samochód siły to:
  • siła ciężkości \(mg\) samochodu – w dół,
  • siła reakcji \(R\) jezdni, prostopadła do jej powierzchni i skierowana w górę (siła reakcji jest równa, co do wartości, sile nacisku \(F_N\)),
  • odśrodkowa siła bezwładności o wartości \(F_{od}\), działająca w górę.

Polecenie

Zapisz warunek równowagi sił działających w układzie nieinercjalnym. Wybierz jeden prawidłowy warunek, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(F_{od}-mg=0\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(R+F_{od}-mg=0\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 4

\(R+F_{od}+mg=0\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(F_{od}-mg=ma\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Ponieważ samochód z punktu widzenia obserwatora z układu nieinercjalnego jest w spoczynku to, zgodnie z I zasadą dynamiki, wypadkowa działających na niego sił jest równa zeru. Warunek równowagi sił, przedstawionych na rysunku powyżej, ma postać:

\(R+F_{od}-mg=0\),

przy czym wartość odśrodkowej siły bezwładności wynosi \(\displaystyle{F_{od}=\frac{mv^2}{r} }\), a, zgodnie z III zasadą dynamiki, siła reakcji jest równa sile nacisku \(R=F_N\).

Polecenie

Oblicz wartość siły nacisku, jaką samochód wywiera na środek mostu. Wybierz jedną prawidłową wartość, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(F_N=2,4\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(F_N=21,6\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(F_N=2,4\,\mathrm{kN}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 4 z 4

\(F_N=21,6\,\mathrm{kN}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Warunek równowagi sił ma postać

\(\displaystyle{F_N+\frac{mv^2}{r}-mg=0 }\)

Po prostych przekształceniach otrzymujemy równanie

\(\displaystyle{F_N=m\left (g-\frac{v^2}{r}\right ) }\)

\(\displaystyle{F_N=1200\cdot \left (10-\frac{20^2}{50}\right ) }\)

\(F_N=2400\,\mathrm{N}=2,4\,\mathrm{kN}\)

Komentarz
  1. Oczywiście zadanie można również rozwiązać w układzie inercjalnym związanym z Ziemią, w którym na samochód działa wypadkowa siła, mająca charakter siły dośrodkowej, powodująca ruch po okręgu. Siła dośrodkowa jest wypadkową sił ciężkości i reakcji podłoża.
  2. Zauważmy, że z otrzymanego równania wynika, wartość siły nacisku maleje ze wzrostem \(v\). Przy
\(\displaystyle{v=\sqrt{gr}=\sqrt{10\,\mathrm{\frac{m}{s^2}\cdot 50\,\mathrm{m}}} }\)

\(\displaystyle{v=22,4\,\mathrm{\frac{m}{s}}=80\,\mathrm{\frac{km}{h}} }\)

         siła nacisku osiąga wartość zero. Dla większych prędkości samochód zacznie się odrywać od podłoża.

Odpowiedź

Wartość siły nacisku, którą samochód wywiera na środek mostu, wynosi \(F_N=2,4\,\mathrm{kN}\).