Zadanie 4.4.2.5

 Zadanie 4.4.2.5

Odrzut przy wystrzale ze strzelby
Ze strzelby o masie \(5\,\mathrm{kg}\) oddano strzał kulą o masie \(10\,\mathrm{ g}\). Prędkość wylatującej z lufy kuli wynosiła \(\displaystyle{500\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\). Czas wzajemnego oddziaływania kuli i strzelby wynosił \(0,02\,\mathrm{s}\), natomiast strzelby i ramienia strzelca \(0,5\,\mathrm{s}\). Z jaką prędkością, w wyniku wystrzału, strzelba została odrzucona do tyłu? Oblicz też wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału.

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 strzelby \(M=5\,\mathrm{kg}\),
- masa kuli \(m=0,01\,\mathrm{kg}\),
- prędkość wylatującej z lufy kuli \(\displaystyle{500\,\mathrm{\frac{m}{s}}}\),
- czas wzajemnego oddziaływania kuli i strzelby \(\Delta t_1=0,02\,\mathrm{s}\),
- czas wzajemnego oddziaływania strzelby i ramienia strzelca \(\Delta t_2=0,5\,\mathrm{s}\).

Szukane:
- prędkość, z jaką w wyniku wystrzału strzelba została odrzucona do tyłu \(u\),
- wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału \(F\).

Odpowiedź

Wartość prędkości, z jaką w wyniku wystrzału strzelba została odrzucona do tyłu, wynosi \(\displaystyle{u=1\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\), natomiast wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału, ma wartość\(F=10\,\mathrm{N}\).

Polecenie

Oblicz prędkość, z jaką zacznie poruszać się strzelba po wystrzale. Wybierz jedną prawidłową wartość, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(\displaystyle{u=0,5\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\displaystyle{u=1\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\displaystyle{u=1,5\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\displaystyle{u=2\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Podczas wystrzału uwalnia się energia wewnętrzna zgromadzona wcześniej w prochu strzelniczym pocisku. Dzięki tej energii pocisk uzyskuje prędkość \(v\), a strzelba prędkość \(u\) (w zasadzie niepożądaną). Ponieważ czas wystrzału jest bardzo krótki \(\Delta t_1\), to możemy założyć, że na strzelbę w momencie wystrzału nie działają żadne siły zewnętrzne. Aby znaleźć prędkość \(u\), z jaką w wyniku wystrzału strzelba została odrzucona do tyłu, zastosujemy zasadę zachowania pędu. Następnie strzelba uderza w ramię strzelca i jest hamowana jego siłą w czasie \(\Delta t_2\). Siłę, która działała na strzelbę, znajdziemy z II zasady dynamiki. Zgodnie z III zasadą dynamiki siła ta ma tę samą wartość, jak wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału.

Zastosujmy zasadę zachowania pędu dla kierunku (niekoniecznie poziomego), w którym nastąpił wystrzał – niech będzie to kierunek osi \(x\). Tak, więc mamy:

\(\sum p_x=0=mv+M(-u)\),

a stąd prędkość, z jaką zacznie poruszać się strzelba po wystrzale, wynosi

\(\displaystyle{u=\frac{mv}{M} }\)

\(\displaystyle{u=\frac{0,01\cdot 500}{5}=1 }\)

\(\displaystyle{u=1\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\)

Polecenie

Wyznacz wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału. Wybierz jedną prawidłową wartość, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(F=10\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 4

\(F=50\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(F=100\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(F=120\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź prawidłowa

Rozwiązanie

Wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału, równa wartości siły, która wyhamowała prędkość \(u\) strzelby, z II zasady dynamiki wynosi:

\(F=Ma=M\frac{u}{\Delta t_2} \)

\(F=Ma=5\,\frac{1}{0,5}=10 \)   \(\displaystyle{\left [\mathrm{kg\cdot \frac{\frac{m}{s}}{s}=kg\cdot \frac{m}{s^2}=N }\right ]} \)

\(F=10\,\mathrm{N}\)

Odpowiedź

Wartość prędkości, z jaką w wyniku wystrzału strzelba została odrzucona do tyłu, wynosi \(\displaystyle{u=1\,\mathrm{\frac{m}{s}} }\), natomiast wartość siły, która działała na ramię strzelca w wyniku wystrzału, ma wartość\(F=10\,\mathrm{N}\).