3 Ruch krzywoliniowy
Sprawdzian
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Średnia wartość prędkości: \(v_{\text{śr}} = \dfrac{375}{19}\frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 19{,}74\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (czyli \(\dfrac{1350}{19}\frac{\text{km}}{\text{h}} \approx 71{,}05\frac{\text{km}}{\text{h}}\))
- Punkt wyjścia i analiza pojęciowa: Zwróć uwagę na fundamentalną różnicę pomiędzy średnią wartością prędkości (szybkością średnią, wielkością skalarną) a wartością wektora prędkości średniej (wielkością wektorową). Szybkość średnia zależy od całkowitej przebytej drogi, natomiast wektor prędkości średniej zależy od wektora przemieszczenia łączącego punkt początkowy z końcowym.
- Główna metoda i powiązanie wzorów: Ujednolić jednostki (przelicz prędkości na \(\text{m/s}\) lub \(\text{km/h}\)). Oblicz długości obu etapów drogi, a następnie wyznacz czasy ruchu na poszczególnych odcinkach ze wzoru na ruch jednostajny prostoliniowy: \(t = \dfrac{s}{v}\). Całkowity czas to suma obu czasów: \(t_c = t_1 + t_2\).
- Wyznaczenie przemieszczenia: Ponieważ samochód po pierwszym odcinku skręcił pod kątem \(90^\circ\), oba odcinki stanowią przyprostokątne trójkąta prostokątnego. Wartość wektora przemieszczenia \(|\Delta\vec{r}|\) wyznacz z twierdzenia Pitagorasa: \(|\Delta\vec{r}| = \sqrt{s_1^2 + s_2^2}\).
- Weryfikacja wyniku: Wartość wektora prędkości średniej musi być mniejsza od średniej wartości prędkości (\(|\vec{v}_{\text{śr}}| < v_{\text{śr}}\)), ponieważ najkrótszą drogą łączącą dwa punkty w przestrzeni jest linia prosta (przemieszczenie jest mniejsze od całkowitej przebytej drogi: \(|\Delta\vec{r}| < s\)).
- Czego unikać (częsta pułapka): Kategorycznie nie wolno liczyć prędkości średniej jako zwykłej średniej arytmetycznej prędkości \(\frac{v_1 + v_2}{2}\)! Czas trwania ruchu na obu odcinkach nie jest jednakowy.
Dane:
\(s = 15\text{ km} = 15\,000\text{ m}\)
\(s_1 = 0{,}6 \cdot s = 9\text{ km} = 9000\text{ m}\)
\(v_1 = 90\frac{\text{km}}{\text{h}} = 25\frac{\text{m}}{\text{s}}\)
\(v_2 = 15\frac{\text{m}}{\text{s}} = 54\frac{\text{km}}{\text{h}}\)
\(\alpha = 90^\circ\) (kąt skrętu między odcinkami)
Szukane:
\(v_{\text{śr}} = ?\) (średnia wartość prędkości na całej drodze)
\(|\vec{v}_{\text{śr}}| = ?\) (wartość wektora prędkości średniej)
-
Rysunek pomocniczy i analiza etapów ruchu:
Wyznaczamy długości poszczególnych odcinków trasy oraz ujednolicamy jednostki prędkości w układzie SI:
Długość pierwszego odcinka: $$s_1 = 0{,}6 \cdot 15\text{ km} = 9\text{ km} = 9000\text{ m}$$ Prędkość na pierwszym odcinku: $$v_1 = 90\frac{\text{km}}{\text{h}} = \dfrac{90}{3{,}6}\frac{\text{m}}{\text{s}} = 25\frac{\text{m}}{\text{s}}$$ Długość drugiego odcinka: $$s_2 = s - s_1 = 15\text{ km} - 9\text{ km} = 6\text{ km} = 6000\text{ m}$$ Prędkość na drugim odcinku: $$v_2 = 15\frac{\text{m}}{\text{s}} = 15 \cdot 3{,}6\frac{\text{km}}{\text{h}} = 54\frac{\text{km}}{\text{h}}$$ Pojazd startuje z punktu \(A\), pokonuje prostoliniowy odcinek \(AB\), skręca o kąt prosty w punkcie \(B\) i pokonuje odcinek \(BC\). -
Obliczenie czasów ruchu na poszczególnych odcinkach oraz czasu całkowitego:
Ruch na obu prostoliniowych odcinkach jest ruchem jednostajnym. Czas trwania ruchu na pierwszym odcinku wynosi: $$\begin{aligned} t_1 &= \dfrac{s_1}{v_1} \\[8pt] &= \dfrac{9000\text{ m}}{25\frac{\text{m}}{\text{s}}} \\[8pt] &= 360\text{ s} \quad (0{,}1\text{ h} = 6\text{ min}) \end{aligned}$$ Czas trwania ruchu na drugim odcinku wynosi: $$\begin{aligned} t_2 &= \dfrac{s_2}{v_2} \\[8pt] &= \dfrac{6000\text{ m}}{15\frac{\text{m}}{\text{s}}} \\[8pt] &= 400\text{ s} \quad \left(\dfrac{1}{9}\text{ h} \approx 6\text{ min } 40\text{ s}\right) \end{aligned}$$ Całkowity czas ruchu pojazdu \(t_c\) jest sumą czasów pokonania obu etapów: $$\begin{aligned} t_c &= t_1 + t_2 \\[8pt] &= 360\text{ s} + 400\text{ s} \\[8pt] &= 760\text{ s} \end{aligned}$$ W jednostkach godzinowych czas ten wynosi: $$\begin{aligned} t_c &= \dfrac{760}{3600}\text{ h} \\[8pt] &= \dfrac{19}{90}\text{ h} \approx 0{,}2111\text{ h} \end{aligned}$$ -
Obliczenie średniej wartości prędkości (szybkości średniej) na całej trasie:
Średnia wartość prędkości \(v_{\text{śr}}\) jest wielkością skalarną definiowaną jako stosunek całkowitej drogi \(s\) do całkowitego czasu ruchu \(t_c\): $$\begin{aligned} v_{\text{śr}} &= \dfrac{s}{t_c} \\[8pt] &= \dfrac{15\,000\text{ m}}{760\text{ s}} \\[8pt] &= \dfrac{375}{19}\frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 19{,}74\frac{\text{m}}{\text{s}} \end{aligned}$$ Przeliczając na kilometry na godzinę: $$\begin{aligned} v_{\text{śr}} &= \dfrac{15\text{ km}}{\frac{19}{90}\text{ h}} \\[8pt] &= \dfrac{15 \cdot 90}{19}\frac{\text{km}}{\text{h}} \\[8pt] &= \dfrac{1350}{19}\frac{\text{km}}{\text{h}} \approx 71{,}05\frac{\text{km}}{\text{h}} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie wektora przemieszczenia i wartości wektora prędkości średniej:
Wektor prędkości średniej \(\vec{v}_{\text{śr}}\) jest zdefiniowany jako iloraz wektora przemieszczenia \(\Delta\vec{r}\) do czasu ruchu: $$\vec{v}_{\text{śr}} = \dfrac{\Delta\vec{r}}{t_c}$$ Ponieważ odcinki \(s_1\) i \(s_2\) tworzą kąt prosty, wartość wektora przemieszczenia (odległość w linii prostej z punktu \(A\) do \(C\)) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: $$\begin{aligned} |\Delta\vec{r}| &= \sqrt{s_1^2 + s_2^2} \\[8pt] &= \sqrt{9^2 + 6^2}\text{ km} \\[8pt] &= \sqrt{81 + 36}\text{ km} \\[8pt] &= \sqrt{117}\text{ km} \\[8pt] &= 3\sqrt{13}\text{ km} \approx 10{,}82\text{ km} \quad (10\,817\text{ m}) \end{aligned}$$ Wartość wektora prędkości średniej wynosi: $$\begin{aligned} |\vec{v}_{\text{śr}}| &= \dfrac{|\Delta\vec{r}|}{t_c} \\[8pt] &= \dfrac{3000\sqrt{13}\text{ m}}{760\text{ s}} \\[8pt] &= \dfrac{75\sqrt{13}}{19}\frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 14{,}23\frac{\text{m}}{\text{s}} \end{aligned}$$ Przeliczając na kilometry na godzinę: $$\begin{aligned} |\vec{v}_{\text{śr}}| &= \dfrac{3\sqrt{13}\text{ km}}{\frac{19}{90}\text{ h}} \\[8pt] &= \dfrac{270\sqrt{13}}{19}\frac{\text{km}}{\text{h}} \approx 51{,}24\frac{\text{km}}{\text{h}} \end{aligned}$$
Wartość wektora prędkości średniej wynosi \(|\vec{v}_{\text{śr}}| = \dfrac{75\sqrt{13}}{19}\frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 14{,}23\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (ok. \(51{,}24\frac{\text{km}}{\text{h}}\)), natomiast średnia wartość prędkości samochodu na całej trasie wynosi \(v_{\text{śr}} = \dfrac{375}{19}\frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 19{,}74\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (ok. \(71{,}05\frac{\text{km}}{\text{h}}\)).
Zadanie 2 (4 pkt)
a) Oblicz czas lotu piłki do chwili osiągnięcia poziomej odległości \(l\) oraz wartość jej prędkości \(v_2\) w tej chwili.
b) Na jakiej wysokości od powierzchni ziemi piłka znajdowała się w odległości \(l\) od balkonu?
c) Z jaką prędkością początkową należy rzucić piłkę poziomo, aby spadła na ziemię przed masztem?
b) \(h_2 = 3{,}25\text{ m}\)
c) \(0 < v_1 < \dfrac{4\sqrt{10}}{3}\text{ m/s}\) (w przybliżeniu \(v_1 < 4{,}22\text{ m/s}\))
- Punkt wyjścia i analiza: Rzut poziomy jest ruchem złożonym z dwóch niezależnych od siebie ruchów prostopadłych: ruchu jednostajnego prostoliniowego w kierunku poziomym (wzdłuż osi \(OX\)) oraz ruchu jednostajnie przyspieszonego bez prędkości początkowej (spadku swobodnego z przyspieszeniem ziemskim \(g\)) w kierunku pionowym (wzdłuż osi \(OY\)).
- Kluczowa metoda i równania ruchu: Wykorzystaj równania kinematyczne dla obu osi: drogę w poziomie \(x(t) = v_{1x} \cdot t\), drogę przebywaną w dół \(\Delta y(t) = \dfrac{g \cdot t^2}{2}\), składowe prędkości \(v_{2x} = v_1\) oraz \(v_{2y} = g \cdot t\), a także twierdzenie Pitagorasa \(v_2 = \sqrt{v_{2x}^2 + v_{2y}^2}\) do wyznaczenia całkowitej prędkości wypadkowej.
- Kolejność operacji: W podpunkcie a) wyznacz czas \(t_2\) z równania ruchu poziomego dla \(x = l\), a następnie oblicz składowe prędkości i ich sumę wektorową. W podpunkcie b) oblicz przebyte obniżenie pionowe \(\Delta y\) po czasie \(t_2\) i odejmij je od wysokości początkowej \(H\), aby wyznaczyć wysokość nad gruntem \(h_2\). W podpunkcie c) wyznacz całkowity czas spadania piłki na ziemię \(t_c\) z warunku spadku z wysokości \(H\), a następnie ułóż nierówność na zasięg poziomy \(Z < l\).
- Weryfikacja wyniku: Sprawdź, czy wyliczony czas osiągnięcia masztu (\(0{,}5\text{ s}\)) jest wyraźnie mniejszy od całkowitego czasu upadku na grunt (\(\approx 0{,}95\text{ s}\)), co gwarantuje, że piłka minie maszt w powietrzu, zanim dotknie ziemi.
- Czego unikać (częsta pułapka): Wartość prędkości wypadkowej \(v_2\) nie jest sumą algebraiczną \(v_{2x} + v_{2y}\), lecz geometryczną (z twierdzenia Pitagorasa). Dodatkowo w podpunkcie b) nie myl drogi przebytej w dół (\(\Delta y\)) z aktualną wysokością piłki nad powierzchnią ziemi (\(h_2 = H - \Delta y\)).
Dane:
\(H = 4{,}5\text{ m}\)
\(v_1 = 8\text{ m/s}\) (początkowa prędkość pozioma: \(v_{1x} = v_1\), \(v_{1y} = 0\))
\(l = 4\text{ m}\)
\(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane:
a) \(t_2 = ?\), \(v_2 = ?\)
b) \(h_2 = ?\)
c) \(v_1 = ?\) (zakres prędkości początkowej, aby piłka upadła przed masztem)
-
Rysunek pomocniczy i analiza kinematyczna rzutu poziomego:
W chwili początkowej piłka znajduje się na wysokości \(H = 4{,}5\text{ m}\) i zostaje wyrzucona z prędkością poziomą \(v_1 = 8\text{ m/s}\). Oznacza to, że jej początkowa prędkość pionowa wynosi zero (\(v_{1y} = 0\)). Na piłkę działa jedynie pionowa siła ciężkości nadająca jej przyspieszenie ziemskie \(g = 10\text{ m/s}^2\). W kierunku poziomym na ciało nie działają żadne siły (pomijamy opory powietrza), więc ruch poziomy odbywa się ze stałą prędkością. -
Podpunkt a) Wyznaczenie czasu lotu piłki do masztu oraz wartości jej prędkości w tej chwili:
W kierunku poziomym piłka porusza się ruchem jednostajnym ze stałą prędkością \(v_{1x} = v_1 = 8\text{ m/s}\). Zależność współrzędnej poziomej od czasu ma postać: $$x(t) = v_1 \cdot t$$ Podstawiamy odległość masztu \(x(t_2) = l = 4\text{ m}\) i wyznaczamy czas \(t_2\): $$\begin{aligned} l &= v_1 \cdot t_2 \\[8pt] t_2 &= \dfrac{l}{v_1} \\[8pt] t_2 &= \dfrac{4\text{ m}}{8\text{ m/s}} = 0{,}5\text{ s} \end{aligned}$$ Następnie wyznaczamy składowe wektora prędkości w chwili \(t_2 = 0{,}5\text{ s}\):
• Składowa pozioma pozostaje niezmienna: $$v_{2x} = v_1 = 8\text{ m/s}$$ • Składowa pionowa rośnie pod wpływem przyspieszenia ziemskiego \(g\): $$\begin{aligned} v_{2y} &= g \cdot t_2 \\[8pt] &= 10\text{ m/s}^2 \cdot 0{,}5\text{ s} = 5\text{ m/s} \end{aligned}$$ Ponieważ składowe \(v_{2x}\) i \(v_{2y}\) są do siebie prostopadłe, wartość całkowitej prędkości wypadkowej \(v_2\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: $$\begin{aligned} v_2 &= \sqrt{v_{2x}^2 + v_{2y}^2} \\[8pt] &= \sqrt{8^2 + 5^2} \\[8pt] &= \sqrt{64 + 25} \\[8pt] &= \sqrt{89}\text{ m/s} \approx 9{,}43\text{ m/s} \end{aligned}$$ -
Podpunkt b) Wyznaczenie wysokości piłki nad powierzchnią ziemi na wysokości masztu:
W kierunku pionowym piłka przebywa drogę w dół (obniżenie toru lotu \(\Delta y\)) odpowiadającą spadkowi swobodnemu w czasie \(t_2 = 0{,}5\text{ s}\): $$\begin{aligned} \Delta y &= \dfrac{g \cdot t_2^2}{2} \\[8pt] &= \dfrac{10\text{ m/s}^2 \cdot (0{,}5\text{ s})^2}{2} \\[8pt] &= 5 \cdot 0{,}25\text{ m} = 1{,}25\text{ m} \end{aligned}$$ Wysokość \(h_2\) piłki nad powierzchnią ziemi w tej chwili jest różnicą wysokości początkowej \(H\) i pokonanej drogi w dół \(\Delta y\): $$\begin{aligned} h_2 &= H - \Delta y \\[8pt] &= 4{,}5\text{ m} - 1{,}25\text{ m} \\[8pt] &= 3{,}25\text{ m} \end{aligned}$$ -
Podpunkt c) Wyznaczenie prędkości początkowej, aby piłka spadła na ziemię przed masztem:
Aby piłka spadła na ziemię przed masztem, jej zasięg poziomy \(Z\) musi być mniejszy od odległości masztu od balkonu (\(Z < l\)).
W pierwszej kolejności obliczamy całkowity czas spadania piłki na ziemię \(t_c\). Czas ten zależy wyłącznie od początkowej wysokości \(H\) oraz przyspieszenia ziemskiego \(g\): $$\begin{aligned} H &= \dfrac{g \cdot t_c^2}{2} \\[8pt] 4{,}5\text{ m} &= \dfrac{10\text{ m/s}^2 \cdot t_c^2}{2} \\[8pt] 4{,}5 &= 5 \cdot t_c^2 \\[8pt] t_c^2 &= \dfrac{4{,}5}{5} = 0{,}9\text{ s}^2 \\[8pt] t_c &= \sqrt{0{,}9}\text{ s} = \sqrt{\dfrac{9}{10}}\text{ s} = \dfrac{3}{\sqrt{10}}\text{ s} = \dfrac{3\sqrt{10}}{10}\text{ s} \approx 0{,}95\text{ s} \end{aligned}$$ Zasięg rzutu poziomego wynosi \(Z = v_1 \cdot t_c\). Z warunku \(Z < l\) otrzymujemy: $$\begin{aligned} v_1 \cdot t_c &< l \\[8pt] v_1 &< \dfrac{l}{t_c} \\[8pt] v_1 &< \dfrac{4\text{ m}}{\dfrac{3\sqrt{10}}{10}\text{ s}} \\[8pt] v_1 &< \dfrac{40}{3\sqrt{10}}\text{ m/s} = \dfrac{40\sqrt{10}}{3 \cdot 10}\text{ m/s} = \dfrac{4\sqrt{10}}{3}\text{ m/s} \end{aligned}$$ Obliczamy wartość przybliżoną: $$\dfrac{4\sqrt{10}}{3}\text{ m/s} \approx \dfrac{4 \cdot 3{,}162}{3}\text{ m/s} \approx 4{,}22\text{ m/s}$$ Ponieważ rzut wykonano poziomo w stronę masztu (\(v_1 > 0\)), ostateczny zakres prędkości początkowej wynosi: $$0 < v_1 < \dfrac{4\sqrt{10}}{3}\text{ m/s} \quad (\text{w przybliżeniu } v_1 < 4{,}22\text{ m/s})$$
a) \(t_2 = 0{,}5\text{ s}\), \(v_2 = \sqrt{89}\text{ m/s} \approx 9{,}43\text{ m/s}\)
b) \(h_2 = 3{,}25\text{ m}\)
c) \(0 < v_1 < \dfrac{4\sqrt{10}}{3}\text{ m/s}\) (w przybliżeniu \(v_1 < 4{,}22\text{ m/s}\))
Zadanie 3 (2 pkt)
- Sprowadzenie jednostek do układu SI: Prędkości biegaczy podano w \(\frac{\text{km}}{\text{h}}\), a odległość oraz prędkość wyrzutu śnieżki w metrach i sekundach. W pierwszym kroku przelicz prędkości \(v_1\) oraz \(v_2\) na \(\frac{\text{m}}{\text{s}}\), pamiętając o przeliczniku: \(1\text{ }\frac{\text{km}}{\text{h}} = \dfrac{1}{3,6}\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\).
- Klasyczne dodawanie prędkości: Śnieżka opuszcza dłoń dziecka poruszającego się względem Ziemi z prędkością \(v_2\). Jej prędkość całkowita względem nieruchomego podłoża jest sumą wektorową prędkości biegu goniącego dziecka i prędkości wyrzutu względem jego ręki: \(v_s = v_2 + v_3\).
- Wybór układu odniesienia i ułożenie równań: Zadanie można rozwiązać dwoma równorzędnymi metodami – porównując równania położeń \(x(t)\) obu ciał w układzie związanym z Ziemią (Sposób I) lub analizując ruch śnieżki względem uciekającego dziecka przy użyciu prędkości względnej zbliżania (Sposób II).
- Weryfikacja wyniku: Odległość wynosi \(10\text{ m}\), a prędkość śnieżki względem Ziemi to \(22\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\). Czas lotu powinien wynosić ułamek sekundy (około pół sekundy), co potwierdza fizyczny realizm otrzymanego wyniku.
- Czego unikać: Częstym błędem jest nieuwzględnienie ruchu samego rzucającego i przyjęcie, że śnieżka leci z prędkością \(v_3 = 20\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\) względem gruntu. Rzucający biegnie do przodu, więc „dodaje” swoją prędkość biegu do prędkości wyrzutu pocisku.
Dane:
\(v_1 = 5,4\text{ }\frac{\text{km}}{\text{h}} = 1,5\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (prędkość pierwszego, uciekającego dziecka)
\(v_2 = 7,2\text{ }\frac{\text{km}}{\text{h}} = 2\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (prędkość drugiego, goniącego dziecka)
\(v_3 = 20\text{ }\frac{\text{m}}{\text{s}}\) (prędkość śnieżki względem goniącego dziecka)
\(d = 10\text{ m}\) (początkowa odległość między dziećmi w chwili rzutu)
Szukane:
\(t = ?\) (czas, po jakim śnieżka trafi uciekające dziecko)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego w chwili wyrzutu \(t = 0\):
W chwili początkowej \(t = 0\) drugie dziecko znajduje się w punkcie początkowym i wyrzuca śnieżkę, a pierwsze dziecko znajduje się w odległości \(d = 10\text{ m}\) przed nim. Obydwa ciała poruszają się w tę samą stronę wzdłuż jednej prostej. -
Przeliczenie jednostek prędkości na układ SI:
Przeliczamy prędkości biegaczy z kilometrów na godzinę na metry na sekundę: $$\begin{aligned} v_1 &= 5,4\text{ }\dfrac{\text{km}}{\text{h}} = \dfrac{5,4}{3,6}\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 1,5\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} \\[8pt] v_2 &= 7,2\text{ }\dfrac{\text{km}}{\text{h}} = \dfrac{7,2}{3,6}\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 2\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie całkowitej prędkości śnieżki względem Ziemi:
Goniące dziecko biegnie z prędkością \(v_2\) i wyrzuca śnieżkę w tym samym kierunku z prędkością względną \(v_3\). Prędkość śnieżki względem nieruchomego podłoża (Ziemi) \(v_s\) wynosi: $$\begin{aligned} v_s &= v_2 + v_3 \\[8pt] v_s &= 2\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} + 20\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 22\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} \end{aligned}$$ -
Sposób I – Wykorzystanie równań ruchu w układzie odniesienia Ziemi:
Przyjmijmy oś \(x\) skierowaną w prawo, której początek \(x = 0\) znajduje się w miejscu rzutu śnieżki przez drugie dziecko w chwili \(t = 0\): - Równanie położenia śnieżki w czasie: $$x_s(t) = v_s \cdot t = 22 \cdot t$$ - Równanie położenia uciekającego dziecka w czasie: $$x_1(t) = d + v_1 \cdot t = 10 + 1,5 \cdot t$$ Warunkiem trafienia jest zrównanie się położeń obu ciał (\(x_s(t) = x_1(t)\)): $$\begin{aligned} 22 \cdot t &= 10 + 1,5 \cdot t \\[8pt] 22 \cdot t - 1,5 \cdot t &= 10 \\[8pt] 20,5 \cdot t &= 10 \\[8pt] t &= \dfrac{10}{20,5} = \dfrac{10}{\dfrac{41}{2}} = \dfrac{20}{41}\text{ s} \approx 0,49\text{ s} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Analiza ruchu względnego w układzie uciekającego dziecka:
W układzie odniesienia związanym z pierwszym (uciekającym) dzieckiem, dziecko to spoczywa w odległości \(d = 10\text{ m}\). Śnieżka porusza się w jego stronę z prędkością względną \(v_{\text{wzg}}\): $$\begin{aligned} v_{\text{wzg}} &= v_s - v_1 \\[8pt] v_{\text{wzg}} &= 22\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} - 1,5\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 20,5\text{ }\dfrac{\text{m}}{\text{s}} \end{aligned}$$ Czas potrzebny na pokonanie dystansu \(d = 10\text{ m}\) wynosi: $$\begin{aligned} t &= \dfrac{d}{v_{\text{wzg}}} \\[8pt] t &= \dfrac{10}{20,5} = \dfrac{20}{41}\text{ s} \approx 0,49\text{ s} \end{aligned}$$ -
Wykres wynikowy zależności położenia od czasu \(x(t)\):
Poniższy wykres ilustruje ruch śnieżki oraz uciekającego dziecka. Punkt przecięcia prostych wyznacza moment trafienia \(t = \dfrac{20}{41}\text{ s} \approx 0,49\text{ s}\) na współrzędnej \(x \approx 10,7\text{ m}\).
Pierwsze dziecko zostanie trafione po czasie \(t = \dfrac{20}{41}\text{ s} \approx 0,49\text{ s}\).
Zadanie 4 (3 pkt)
a) częstotliwość i okres obrotu gramofonu,
b) prędkość kątową i liniową monety,
c) zmianę prędkości kątowej gramofonu, gdy liczba jej obrotów zwiększy się o \(\Delta n = 12\) w ciągu \(t = 1\text{ min}\).
b) \(\omega_1 = 1{,}1\pi\text{ rad/s} \approx 3{,}46\text{ rad/s}\), \(v_1 = 0{,}165\pi\text{ m/s} \approx 0{,}52\text{ m/s}\)
c) \(\Delta \omega = 0{,}4\pi\text{ rad/s} \approx 1{,}26\text{ rad/s}\)
- Punkt wyjścia i analiza wstępna: Rozpocznij od przeliczenia jednostki czasu na sekundy w układzie SI (\(1\text{ min} = 60\text{ s}\)). Ponieważ moneta leży na samym obwodzie płyty gramofonowej, promień okręgu, po którym krąży moneta, jest dokładnie równy promieniowi gramofonu (\(R = 0{,}15\text{ m}\)).
- Główna metoda i powiązanie pojęciowe: Częstotliwość \(f\) to liczba pełnych obrotów wykonanych w jednostce czasu (\(f = \dfrac{n}{t}\)), natomiast okres \(T\) to czas trwania jednego pełnego obrotu, będący odwrotnością częstotliwości (\(T = \dfrac{1}{f}\)).
- Kolejność wyznaczania prędkości w ruchu po okręgu: Prędkość kątowa \(\omega\) wyraża kąt zakreślany w jednostce czasu i wiąże się z częstotliwością wzorem \(\omega = 2\pi f\). Następnie prędkość liniową monety obliczysz ze związku między prędkością liniową a kątową: \(v = \omega R\).
- Interpretacja przyrostu prędkości kątowej: Zmianę prędkości kątowej \(\Delta\omega\) można wyznaczyć dwoma sposobami: bezpośrednio z przyrostu częstotliwości (\(\Delta f = \dfrac{\Delta n}{t}\) i \(\Delta\omega = 2\pi\Delta f\)) lub wyznaczając nową prędkość kątową po zwiększeniu liczby obrotów (\(n_2 = n_1 + \Delta n\)) i odejmując \(\omega_1\).
- Czego unikać (częsta pułapka): Nie podstawiaj czasu w minutach do wzoru na częstotliwość – jednostka herc (\(1\text{ Hz} = 1\text{ s}^{-1}\)) bezwzględnie wymaga czasu podanego w sekundach. Zwróć też uwagę na sformułowanie „zwiększy się o \(\Delta n\)”, co oznacza dodanie wartości \(12\) do dotychczasowych \(33\) obrotów, a nie zastąpienie ich tą liczbą.
Dane:
\(R = 0{,}15\text{ m}\)
\(t_1 = 1\text{ min} = 60\text{ s}\)
\(n_1 = 33\)
\(\Delta n = 12\)
Szukane:
a) \(f_1 = ?\), \(T_1 = ?\)
b) \(\omega_1 = ?\), \(v_1 = ?\)
c) \(\Delta \omega = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego:
Gramofon obraca się wokół pionowej osi przechodzącej przez jego środek. Moneta spoczywa na obrzeżu obracającej się tarczy w odległości \(R = 0{,}15\text{ m}\) od osi obrotu. Wektor jej prędkości liniowej \(\vec{v}_1\) jest w każdej chwili styczny do toru ruchu, a cały układ obraca się z początkową prędkością kątową \(\vec{\omega}_1\). -
Podpunkt a) Obliczenie częstotliwości i okresu obrotu gramofonu:
Częstotliwość \(f_1\) określa liczbę pełnych obrotów wykonanych w czasie jednej sekundy: $$\begin{aligned} f_1 &= \dfrac{n_1}{t_1} \\[8pt] &= \dfrac{33}{60\text{ s}} \\[8pt] &= \dfrac{11}{20}\text{ Hz} = 0{,}55\text{ Hz} \end{aligned}$$ Okres obrotu \(T_1\) to czas potrzebny na wykonanie jednego pełnego obrotu, stanowiący odwrotność częstotliwości: $$\begin{aligned} T_1 &= \dfrac{1}{f_1} = \dfrac{t_1}{n_1} \\[8pt] &= \dfrac{60\text{ s}}{33} = \dfrac{20}{11}\text{ s} \approx 1{,}82\text{ s} \end{aligned}$$ -
Podpunkt b) Obliczenie prędkości kątowej i liniowej monety:
Prędkość kątową \(\omega_1\) wyznaczamy ze związku z częstotliwością: $$\begin{aligned} \omega_1 &= 2\pi f_1 \\[8pt] &= 2\pi \cdot 0{,}55\text{ Hz} \\[8pt] &= 1{,}1\pi\text{ rad/s} \approx 1{,}1 \cdot 3{,}1416\text{ rad/s} \approx 3{,}46\text{ rad/s} \end{aligned}$$ Moneta znajduje się na brzegu gramofonu w odległości równej promieniowi \(R = 0{,}15\text{ m}\). Jej prędkość liniową \(v_1\) obliczamy ze wzoru: $$\begin{aligned} v_1 &= \omega_1 \cdot R \\[8pt] &= 1{,}1\pi\text{ rad/s} \cdot 0{,}15\text{ m} \\[8pt] &= 0{,}165\pi\text{ m/s} \approx 0{,}165 \cdot 3{,}1416\text{ m/s} \approx 0{,}52\text{ m/s} \end{aligned}$$ -
Podpunkt c) Obliczenie zmiany prędkości kątowej gramofonu:
Liczba obrotów ulega zwiększeniu o \(\Delta n = 12\) w czasie \(t_1 = 60\text{ s}\). Zadanie to możemy rozwiązać dwoma równoważnymi sposobami:
Sposób I – Wykorzystanie bezpośredniego przyrostu częstotliwości:
Obliczamy bezpośredni przyrost częstotliwości \(\Delta f\) wynikający ze zwiększenia liczby obrotów: $$\begin{aligned} \Delta f &= \dfrac{\Delta n}{t_1} \\[8pt] &= \dfrac{12}{60\text{ s}} = \dfrac{1}{5}\text{ Hz} = 0{,}2\text{ Hz} \end{aligned}$$ Ponieważ zależność między prędkością kątową a częstotliwością jest liniowa (\(\omega = 2\pi f\)), zmianę prędkości kątowej obliczamy wprost: $$\begin{aligned} \Delta\omega &= 2\pi \cdot \Delta f \\[8pt] &= 2\pi \cdot 0{,}2\text{ Hz} \\[8pt] &= 0{,}4\pi\text{ rad/s} = \dfrac{2}{5}\pi\text{ rad/s} \approx 1{,}26\text{ rad/s} \end{aligned}$$
Sposób II – Wyznaczenie nowej prędkości kątowej i obliczenie różnicy:
Nowa liczba obrotów w ciągu jednej minuty wynosi: $$n_2 = n_1 + \Delta n = 33 + 12 = 45$$ Nowa częstotliwość obrotu gramofonu: $$f_2 = \dfrac{n_2}{t_1} = \dfrac{45}{60\text{ s}} = 0{,}75\text{ Hz}$$ Wyznaczamy nową prędkość kątową \(\omega_2\): $$\omega_2 = 2\pi f_2 = 2\pi \cdot 0{,}75 = 1{,}5\pi\text{ rad/s} \approx 4{,}71\text{ rad/s}$$ Obliczamy zmianę prędkości kątowej poprzez odjęcie wartości początkowej: $$\begin{aligned} \Delta\omega &= \omega_2 - \omega_1 \\[8pt] &= 1{,}5\pi\text{ rad/s} - 1{,}1\pi\text{ rad/s} \\[8pt] &= 0{,}4\pi\text{ rad/s} \approx 1{,}26\text{ rad/s} \end{aligned}$$ Oba sposoby prowadzą do identycznego rezultatu.
a) \(f_1 = 0{,}55\text{ Hz}\), \(T_1 = \dfrac{20}{11}\text{ s} \approx 1{,}82\text{ s}\)
b) \(\omega_1 = 1{,}1\pi\text{ rad/s} \approx 3{,}46\text{ rad/s}\), \(v_1 = 0{,}165\pi\text{ m/s} \approx 0{,}52\text{ m/s}\)
c) \(\Delta \omega = 0{,}4\pi\text{ rad/s} \approx 1{,}26\text{ rad/s}\)
Zadanie 5 (2 pkt)
- Punkt wyjścia i analiza wstępna: Zwróć szczególną uwagę na jednostki. Średnica tarczy podana jest w centymetrach (\(d = 20\text{ cm}\)), zatem promień tarczy wynosi \(r = \dfrac{d}{2} = 10\text{ cm}\) i należy go bezwzględnie zamienić na metry (\(r = 0{,}1\text{ m}\)). Czas \(t = 15\text{ s}\) jest już wyrażony w podstawowej jednostce układu SI.
- Kluczowa metoda i powiązanie pojęciowe: Ruch jednostajny po okręgu można opisać za pomocą częstotliwości obrotowej \(f = \dfrac{n}{t}\) lub okresu obiegu \(T = \dfrac{t}{n}\). Przyspieszenie dośrodkowe punktu na obwodzie wiąże się z promieniem oraz prędkością kątową wzorem \(a_d = \omega^2 r\) lub z prędkością liniową wzorem \(a_d = \dfrac{v^2}{r}\).
- Kolejność operacji:
1. Oblicz promień tarczy w metrach.
2. Wyznacz częstotliwość obrotu \(f\) (liczbę pełnych obrotów na sekundę).
3. Oblicz prędkość kątową \(\omega = 2\pi f\) (lub prędkość liniową \(v = \omega r\)).
4. Podstaw wyznaczone wartości do wzoru na przyspieszenie dośrodkowe. - Weryfikacja wyniku: Sprawdź wymiar jednostki przyspieszenia: \([\omega^2 r] = \left(\dfrac{1}{\text{s}}\right)^2 \cdot \text{m} = \dfrac{\text{m}}{\text{s}^2}\). Zgodność wymiarowa potwierdza poprawność wyprowadzonego wzoru.
- Czego unikać (częsta pułapka): Najczęstszym błędem jest podstawienie do wzoru średnicy \(d\) zamiast promienia \(r\) lub pominięcie zamiany centymetrów na metry, co zawyża wynik odpowiednio dwukrotnie lub stukrotnie.
Dane:
\(d = 20\text{ cm} = 0{,}2\text{ m}\)
\(r = \dfrac{d}{2} = 10\text{ cm} = 0{,}1\text{ m}\)
\(t = 15\text{ s}\)
\(n = 300\)
Szukane:
\(a_d = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego:
Punkt leżący na zewnętrznej krawędzi tarczy szlifierki porusza się po okręgu o promieniu \(r\) równym połowie średnicy tarczy: $$r = \dfrac{d}{2} = \dfrac{20\text{ cm}}{2} = 10\text{ cm} = 0{,}1\text{ m}$$ Poniższy schemat przedstawia tarczę o promieniu \(r\) oraz wyróżniony punkt \(A\) na jej obwodzie przed przystąpieniem do obliczeń dynamicznych. -
Sposób I – Obliczenie z wykorzystaniem prędkości kątowej:
Częstotliwość obrotu \(f\) określa liczbę obrotów wykonanych w jednostce czasu: $$f = \dfrac{n}{t} = \dfrac{300}{15\text{ s}} = 20\text{ s}^{-1} = 20\text{ Hz}$$ Prędkość kątowa \(\omega\) wyraża kąt zakreślany przez promień w ciągu jednej sekundy: $$\omega = 2\pi f = 2\pi \cdot 20\text{ s}^{-1} = 40\pi\text{ rad/s}$$ Przyspieszenie dośrodkowe punktu na brzegu tarczy wynosi: $$\begin{aligned} a_d &= \omega^2 r \\[8pt] &= (40\pi\text{ s}^{-1})^2 \cdot 0{,}1\text{ m} \\[8pt] &= 1600\pi^2 \cdot 0{,}1\text{ m/s}^2 \\[8pt] &= 160\pi^2\text{ m/s}^2 \end{aligned}$$ Przyjmując przybliżenie \(\pi^2 \approx 9{,}8696\), otrzymujemy wartość liczbową: $$a_d \approx 160 \cdot 9{,}8696\text{ m/s}^2 \approx 1579{,}14\text{ m/s}^2 \approx 1579\text{ m/s}^2$$ -
Sposób II – Obliczenie z wykorzystaniem prędkości liniowej i okresu:
Okres obrotu \(T\) to czas potrzebny na wykonanie jednego pełnego obrotu tarczy: $$T = \dfrac{t}{n} = \dfrac{15\text{ s}}{300} = 0{,}05\text{ s}$$ Prędkość liniowa punktu \(A\) na brzegu tarczy wynosi: $$v = \dfrac{2\pi r}{T} = \dfrac{2\pi \cdot 0{,}1\text{ m}}{0{,}05\text{ s}} = 4\pi\text{ m/s} \approx 12{,}57\text{ m/s}$$ Przyspieszenie dośrodkowe wyliczamy ze wzoru wiążącego prędkość liniową i promień toru: $$\begin{aligned} a_d &= \dfrac{v^2}{r} \\[8pt] &= \dfrac{(4\pi\text{ m/s})^2}{0{,}1\text{ m}} \\[8pt] &= \dfrac{16\pi^2\text{ m}^2/\text{s}^2}{0{,}1\text{ m}} \\[8pt] &= 160\pi^2\text{ m/s}^2 \approx 1579\text{ m/s}^2 \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy i interpretacja wektorowa:
W ruchu jednostajnym po okręgu wektor prędkości liniowej jest w każdej chwili styczny do toru ruchu, a wektor przyspieszenia dośrodkowego ma kierunek wzdłuż promienia i jest zwrócony do środka okręgu. Kąt między tymi wektorami wynosi \(90^\circ\).
Przyspieszenie dośrodkowe punktu znajdującego się na brzegu tarczy wynosi \(a_d = 160\pi^2\text{ m/s}^2 \approx 1579\text{ m/s}^2\) (lub w notacji wykładniczej \(1{,}58 \cdot 10^3\text{ m/s}^2\)).
