6.2 Moment siły. I zasada dynamiki dla ruchu obrotowego
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1
Dla siły \(\vec{F}_2\): wartość \(M_2 = 0\text{ N}\cdot\text{m}\) (wektor zerowy – brak określonego kierunku i zwrotu).
Dla siły \(\vec{F}_3\): wartość \(M_3 = 3\text{ N}\cdot\text{m}\), kierunek prostopadły do płaszczyzny rysunku, zwrot za płaszczyznę rysunku (od obserwatora / w głąb ekranu, \(\otimes\)).
- Wartość momentu siły względem osi obrotu obliczamy ze wzoru \(M = r \cdot F \cdot \sin\alpha\), gdzie \(r\) to odległość punktu przyłożenia siły od osi obrotu, a \(\alpha\) to kąt między osią drążka a wektorem siły.
- Kierunek wektora momentu siły jest zawsze prostopadły do płaszczyzny obrotu (płaszczyzny wyznaczonej przez drążek i siłę).
- Zwrot wektora momentu ustalamy za pomocą reguły prawej dłoni: gdy palce dłoni wskazują kierunek obrotu drążka pod wpływem siły, odchylony kciuk wskazuje zwrot wektora momentu siły (do obserwatora \(\odot\) lub od obserwatora \(\otimes\)).
Dane:
Długość drążka: \(l = 1\text{ m}\)
Wartości sił: \(F_1 = F_2 = F_3 = 6\text{ N}\)
Odległości punktów przyłożenia od osi \(O\):
\(r_1 = \dfrac{l}{2} = 0{,}5\text{ m}\)
\(r_2 = l = 1\text{ m}\)
\(r_3 = l = 1\text{ m}\)
Kąty działania sił:
\(\alpha_1 = 90^\circ\)
\(\alpha_2 = 0^\circ\)
\(\alpha_3 = 210^\circ\)
Szukane:
Wartości, kierunki i zwroty momentów sił: \(M_1 = ?\), \(M_2 = ?\), \(M_3 = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza stanu wyjściowego:
Drążek może obracać się wyłącznie wokół osi przechodzącej przez punkt \(O\). Schemat przedstawia położenie osi, punkty zaczepienia sił oraz kąty, pod jakimi siły zostały przyłożone do osi drążka. -
Sposób I – Wyznaczenie wartości momentów sił z ogólnego wzoru trygonometrycznego:
Wartość momentu siły dana jest zależnością: $$M = r \cdot F \cdot |\sin\alpha|$$ Obliczamy wartości dla poszczególnych sił:
Podpunkt a) Wartość momentu siły \(\vec{F}_1\): $$\begin{aligned} M_1 &= r_1 \cdot F_1 \cdot \sin(\alpha_1) \\ &= 0{,}5\text{ m} \cdot 6\text{ N} \cdot \sin(90^\circ) \\ &= 0{,}5 \cdot 6 \cdot 1 = 3\text{ N}\cdot\text{m} \end{aligned}$$ Podpunkt b) Wartość momentu siły \(\vec{F}_2\): $$\begin{aligned} M_2 &= r_2 \cdot F_2 \cdot \sin(\alpha_2) \\ &= 1\text{ m} \cdot 6\text{ N} \cdot \sin(0^\circ) \\ &= 1 \cdot 6 \cdot 0 = 0\text{ N}\cdot\text{m} \end{aligned}$$ Podpunkt c) Wartość momentu siły \(\vec{F}_3\): Wykorzystujemy wzór redukcyjny: \(\sin(210^\circ) = \sin(180^\circ + 30^\circ) = -\sin(30^\circ) = -0{,}5\): $$\begin{aligned} M_3 &= r_3 \cdot F_3 \cdot |\sin(210^\circ)| \\ &= 1\text{ m} \cdot 6\text{ N} \cdot |-0{,}5| \\ &= 6 \cdot 0{,}5 = 3\text{ N}\cdot\text{m} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wyznaczenie wartości momentów poprzez ramię siły lub składowe prostopadłe:
Moment siły możemy wyznaczyć geometrycznie jako iloczyn wartości siły i jej ramienia \(d\) (prostopadłej odległości prostej działania siły od osi obrotu): \(M = F \cdot d\).
- Dla siły \(\vec{F}_1\): siła działa prostopadle do drążka, zatem jej ramię jest równe odległości punktu przyłożenia od osi: \(d_1 = r_1 = 0{,}5\text{ m}\). $$M_1 = F_1 \cdot d_1 = 6\text{ N} \cdot 0{,}5\text{ m} = 3\text{ N}\cdot\text{m}$$ - Dla siły \(\vec{F}_2\): prosta działania siły przechodzi bezpośrednio przez oś obrotu \(O\). Oznacza to, że ramię siły wynosi \(d_2 = 0\text{ m}\). $$M_2 = F_2 \cdot d_2 = 6\text{ N} \cdot 0\text{ m} = 0\text{ N}\cdot\text{m}$$ - Dla siły \(\vec{F}_3\): kąt nachylenia prostej działania siły do osi drążka wynosi \(210^\circ - 180^\circ = 30^\circ\). Ramię siły to: $$d_3 = r_3 \cdot \sin(30^\circ) = 1\text{ m} \cdot 0{,}5 = 0{,}5\text{ m}$$ $$M_3 = F_3 \cdot d_3 = 6\text{ N} \cdot 0{,}5\text{ m} = 3\text{ N}\cdot\text{m}$$ -
Ustalenie kierunków i zwrotów wektorów momentów oraz rysunek wynikowy:
Kierunek każdego niezerowego wektora momentu siły jest prostopadły do płaszczyzny rysunku (pokrywa się z osią obrotu drążka). Zwrot wyznaczamy regułą prawej dłoni:
- Dla siły \(\vec{F}_1\): siła obraca drążek przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (w lewo wokół punktu \(O\)). Kciuk prawej dłoni wskazuje przed płaszczyznę rysunku (do obserwatora, oznaczany symbolem \(\odot\)).
- Dla siły \(\vec{F}_2\): wartość wynosi \(0\text{ N}\cdot\text{m}\). Wektor momentu jest wektorem zerowym – nie ma określonego kierunku ani zwrotu.
- Dla siły \(\vec{F}_3\): siła dąży do obrotu drążka zgodnie z ruchem wskazówek zegara (w prawo wokół punktu \(O\)). Kciuk prawej dłoni wskazuje za płaszczyznę rysunku (od obserwatora / w głąb ekranu, oznaczany symbolem \(\otimes\)).
Dla siły \(\vec{F}_1\): wartość \(M_1 = 3\text{ N}\cdot\text{m}\), kierunek prostopadły do płaszczyzny rysunku, zwrot przed płaszczyznę rysunku (do obserwatora, \(\odot\)).
Dla siły \(\vec{F}_2\): wartość \(M_2 = 0\text{ N}\cdot\text{m}\) (wektor zerowy – brak zwrotu i kierunku).
Dla siły \(\vec{F}_3\): wartość \(M_3 = 3\text{ N}\cdot\text{m}\), kierunek prostopadły do płaszczyzny rysunku, zwrot za płaszczyznę rysunku (od obserwatora / w głąb ekranu, \(\otimes\)).
Zadanie 2
- Rower porusza się ze stałą prędkością (\(v = \text{const}\)), co oznacza, że tylne koło obraca się ze stałą prędkością kątową (\(\omega = \text{const}\)). Zgodnie z I zasadą dynamiki dla ruchu obrotowego wypadkowy moment sił działających na koło względem osi obrotu musi być równy zero.
- Zwróć uwagę na jednostki – promień koła zębatego wyraź w metrach, aby zachować spójność z promieniem koła roweru.
Dane:
\(F_t = 280\text{ N}\) – siła tarcia między oponą a podłożem
\(R_1 = 4\text{ cm} = 0{,}04\text{ m}\) – promień koła zębatego
\(R_2 = 0{,}6\text{ m}\) – promień koła roweru
\(v = \text{const}\) – stała prędkość ruchu
Szukane:
\(F_ł = ?\) – wartość siły naciągu łańcucha
-
Rysunek pomocniczy i analiza sił działających na tylne koło w stanie wyjściowym:
Tylne koło roweru oraz zamontowana na jego osi zębatka tworzą sztywny układ obrotowy o wspólnej osi przechodzącej przez punkt \(O\). Łańcuch napędowy działa na górną krawędź zębatki siłą naciągu \(\vec{F}_ł\) skierowaną w prawo (do przodu). W punkcie styku opony z podłożem siła tarcia statycznego \(\vec{F}_t\) napędza rower, również działając w prawo. Poniższy szkic przedstawia stan wyjściowy bez wyliczonych jeszcze wartości końcowych: -
Sposób I – Wykorzystanie warunku równowagi momentów sił względem osi obrotu:
Ponieważ rower porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, tylne koło obraca się ze stałą prędkością kątową (\(\omega = \text{const}\)). W myśl I zasady dynamiki dla ruchu obrotowego suma momentów sił względem osi obrotu koła \(O\) wynosi zero: $$\sum M = 0$$ Siła naciągu łańcucha \(F_ł\) działa na ramieniu o długości \(R_1\) (promień zębatki), wytwarzając moment obrotowy zgodny z ruchem wskazówek zegara: $$M_ł = F_ł \cdot R_1$$ Siła tarcia \(F_t\) działa w punkcie styku z podłożem na ramieniu o długości \(R_2\) (promień koła roweru), wytwarzając moment obrotowy przeciwny do ruchu wskazówek zegara: $$M_t = F_t \cdot R_2$$ Przyrównujemy wartości obu momentów sił: $$\begin{aligned} M_ł &= M_t \\ F_ł \cdot R_1 &= F_t \cdot R_2 \end{aligned}$$ Dzielimy obustronnie przez \(R_1\), aby wyznaczyć szukaną siłę \(F_ł\): $$F_ł = F_t \cdot \dfrac{R_2}{R_1}$$ Podstawiamy dane liczbowe: $$\begin{aligned} F_ł &= 280\text{ N} \cdot \dfrac{0{,}6\text{ m}}{0{,}04\text{ m}} \\ &= 280\text{ N} \cdot 15 \\ &= 4200\text{ N} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wykorzystanie zasady zachowania energii (porównanie pracy i mocy):
Rozważmy jeden pełny obrót tylnego koła roweru (kąt obrotu \(\Delta \alpha = 2\pi\text{ rad}\)).
Droga, jaką w tym czasie pokonuje łańcuch nawijający się na zębatkę, jest równa obwodowi koła zębatego: $$s_1 = 2\pi R_1$$ Praca wykonana przez siłę naciągu łańcucha wynosi: $$W_1 = F_ł \cdot s_1 = F_ł \cdot 2\pi R_1$$ W tym samym czasie punkt styku koła z nawierzchnią pokonuje drogę równą obwodowi całego koła roweru: $$s_2 = 2\pi R_2$$ Praca wykonana przez siłę napędzającą przeciwko sile tarcia wynosi: $$W_2 = F_t \cdot s_2 = F_t \cdot 2\pi R_2$$ W ruchu ze stałą prędkością energia kinetyczna układu się nie zmienia, co oznacza, że praca siły napędu łańcucha równoważy pracę tarcia (\(W_1 = W_2\)): $$\begin{aligned} W_1 &= W_2 \\ F_ł \cdot 2\pi R_1 &= F_t \cdot 2\pi R_2 \end{aligned}$$ Dzieląc obie strony równania przez \(2\pi R_1\), otrzymujemy tę samą zależność: $$\begin{aligned} F_ł &= F_t \cdot \dfrac{R_2}{R_1} \\ &= 280\text{ N} \cdot \dfrac{0{,}6\text{ m}}{0{,}04\text{ m}} \\ &= 4200\text{ N} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy i bilans momentów:
Wartość siły, z jaką łańcuch ciągnie zębatkę, jest 15 razy większa od siły tarcia opony o jezdnię, co wynika bezpośrednio z 15-krotnej różnicy promieni (\(\frac{R_2}{R_1} = 15\)). Poniższy rysunek ilustruje wyznaczoną wartość siły \(\vec{F}_ł\) oraz stan równowagi momentów sił:
Wartość siły, jaką łańcuch działa na koło zębate zamontowane na osi tylnego koła, wynosi \(F_ł = 4200\text{ N}\) (czyli \(4{,}2\text{ kN}\)).
Zadanie 3
- Wykorzystaj warunek równowagi momentów sił względem osi obrotu przechodzącej przez punkt oparcia belki o podłoże.
- Zwróć uwagę, że siła ciężkości jednorodnej belki jest przyłożona dokładnie w jej środku geometrycznym (w połowie długości).
- Ramię siły to najkrótsza odległość od osi obrotu do prostej, wzdłuż której działa dana siła.
Dane: \(m_b = 60\text{ kg}\), \(\alpha = 30^\circ\), \(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane: \(F = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i identyfikacja sił działających na belkę w stanie równowagi:
Niech belka ma długość \(L\). Przyjmijmy punkt podparcia belki o podłoże jako oś obrotu \(O\). Na belkę działają trzy siły:- siła reakcji podłoża \(\vec{R}\) przyłożona w punkcie podparcia \(O\),
- siła ciężkości belki \(\vec{F}_{g_b}\) przyłożona w środku ciężkości belki (w odległości \(\frac{L}{2}\) od punktu \(O\)), skierowana pionowo w dół,
- siła unosząca \(\vec{F}\) przyłożona na swobodnym końcu belki (w odległości \(L\) od punktu \(O\)), skierowana pionowo w górę.
-
Sposób I – Wyznaczenie siły z bilansu momentów sił względem punktu oparcia:
Obliczamy wartość siły ciężkości belki: $$F_{g_b} = m_b \cdot g = 60\text{ kg} \cdot 10\text{ m/s}^2 = 600\text{ N}$$ Warunkiem równowagi obrotowej bryły sztywnej jest zerowanie się sumy momentów wszystkich sił względem wybranej osi. Wybierając punkt \(O\) jako oś obrotu, moment siły reakcji \(\vec{R}\) znika, ponieważ jej ramię wynosi zero (\(M_R = 0\)).
Ramię siły pionowej to pozioma odległość od punktu \(O\) do pionowej linii działania danej siły: $$\begin{aligned} r_g &= \dfrac{L}{2} \cdot \cos\alpha \\ r_F &= L \cdot \cos\alpha \end{aligned}$$ Moment siły ciężkości dąży do obrotu belki zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a moment siły unoszącej przeciwnie. W stanie równowagi ich wartości muszą być równe: $$\begin{aligned} M_F &= M_{F_g} \\ F \cdot r_F &= F_{g_b} \cdot r_g \\ F \cdot (L \cos\alpha) &= F_{g_b} \cdot \left(\dfrac{L}{2} \cos\alpha\right) \end{aligned}$$ Dzieląc obie strony przez \(L \cos\alpha\) (ponieważ \(L > 0\) oraz \(\cos 30^\circ \neq 0\)), otrzymujemy: $$\begin{aligned} F &= \dfrac{F_{g_b}}{2} \\ F &= \dfrac{600\text{ N}}{2} = 300\text{ N} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wykorzystanie składowych sił prostopadłych do belki i interpretacja wynikowa:
Alternatywnie możemy rozłożyć działające siły pionowe na składowe prostopadłe do osi belki: $$\begin{aligned} F_\perp &= F \cdot \cos\alpha \\ F_{g\perp} &= F_{g_b} \cdot \cos\alpha \end{aligned}$$ Wtedy ramionami tych składowych są odpowiednio cała długość belki \(L\) oraz jej połowa \(\frac{L}{2}\): $$\begin{aligned} F_\perp \cdot L &= F_{g\perp} \cdot \dfrac{L}{2} \\ (F \cos\alpha) \cdot L &= (F_{g_b} \cos\alpha) \cdot \dfrac{L}{2} \\ F &= \dfrac{F_{g_b}}{2} = 300\text{ N} \end{aligned}$$ Wartość potrzebnej siły zależy wyłącznie od ciężaru belki i jest całkowicie niezależna od kąta nachylenia \(\alpha\).
Wartość siły \(\vec{F}\) potrzebnej do utrzymania belki w równowadze wynosi \(300\text{ N}\).
Zadanie 4
Siła nacisku na podporę \(B\): \(F_{n_B} = 800\text{ N}\)
- Kładka wraz z turystą pozostaje w spoczynku, co oznacza spełnienie dwóch warunków równowagi statycznej bryły sztywnej: suma wektorowa wszystkich sił działających na belkę wynosi zero oraz suma momentów tych sił względem dowolnie wybranej osi obrotu wynosi zero.
- Ciężar jednorodnej belki kładki jest przyłożony w jej geometrycznym środku, czyli dokładnie w połowie rozpiętości między podporami (\(r = \dfrac{l}{2}\)).
- Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona siła nacisku wywierana przez belkę na daną podporę ma taką samą wartość jak siła reakcji sprężystej tej podpory działająca na belkę w górę (\(F_n = F_N\)).
Dane:
Masa belki kładki: \(m_k = 120\text{ kg}\)
Masa turysty: \(m_t = 80\text{ kg}\)
Odległość między podporami: \(l = 6\text{ m}\)
Położenie turysty od podpory \(A\): \(x = 1{,}5\text{ m}\)
Przyspieszenie ziemskie: \(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane:
Wartość siły nacisku na podporę \(A\): \(F_{n_A} = ?\)
Wartość siły nacisku na podporę \(B\): \(F_{n_B} = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza sił działających na kładkę:
Na kładkę działają cztery pionowe siły:- skierowana w dół siła grawitacji pochodząca od turysty: \(F_{g_t} = m_t \cdot g = 80\text{ kg} \cdot 10\text{ m/s}^2 = 800\text{ N}\) przyłożona w odległości \(x = 1{,}5\text{ m}\) od podpory \(A\),
- skierowana w dół siła grawitacji samej belki: \(F_{g_k} = m_k \cdot g = 120\text{ kg} \cdot 10\text{ m/s}^2 = 1200\text{ N}\) przyłożona w środku kładki, czyli w odległości \(\dfrac{l}{2} = 3\text{ m}\) od podpory \(A\),
- skierowane pionowo w górę sprężyste siły reakcji podpór: \(F_{N_A}\) w punkcie \(A\) oraz \(F_{N_B}\) w punkcie \(B\).
-
Wyznaczenie siły reakcji podpory \(B\) z warunku równowagi momentów sił:
Wybieramy oś obrotu przechodzącą przez punkt podparcia \(A\). Względem tego punktu ramię siły reakcji \(F_{N_A}\) jest równe zeru, więc jej moment znika. Warunek zerowania się sumy momentów sił przyjmuje postać: $$\sum M_A = 0$$ Przyjmując za dodatni kierunek obrotu zgodny z ruchem wskazówek zegara: $$\begin{aligned} F_{g_t} \cdot x + F_{g_k} \cdot \dfrac{l}{2} - F_{N_B} \cdot l &= 0 \\ 800\text{ N} \cdot 1{,}5\text{ m} + 1200\text{ N} \cdot 3\text{ m} - F_{N_B} \cdot 6\text{ m} &= 0 \\ 1200\text{ N}\cdot\text{m} + 3600\text{ N}\cdot\text{m} &= 6\text{ m} \cdot F_{N_B} \\ 4800\text{ N}\cdot\text{m} &= 6\text{ m} \cdot F_{N_B} \\ F_{N_B} &= \dfrac{4800\text{ N}\cdot\text{m}}{6\text{ m}} \\ F_{N_B} &= 800\text{ N} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie siły reakcji podpory \(A\) (dwa sposoby):
Wartość siły \(F_{N_A}\) możemy obliczyć na dwa niezależne sposoby:
Sposób I – Wykorzystanie warunku równowagi sił (I warunek statyki):
Suma rzutów wszystkich sił na oś pionową musi wynosić zero: $$\begin{aligned} \sum F_y &= 0 \\ F_{N_A} + F_{N_B} - F_{g_t} - F_{g_k} &= 0 \\ F_{N_A} + 800\text{ N} - 800\text{ N} - 1200\text{ N} &= 0 \\ F_{N_A} - 1200\text{ N} &= 0 \\ F_{N_A} &= 1200\text{ N} \end{aligned}$$ Sposób II – Wykorzystanie warunku równowagi momentów względem podpory \(B\):
Wybieramy oś obrotu w punkcie \(B\), co eliminuje moment siły \(F_{N_B}\): $$\begin{aligned} \sum M_B &= 0 \\ F_{N_A} \cdot l - F_{g_t} \cdot (l - x) - F_{g_k} \cdot \dfrac{l}{2} &= 0 \\ F_{N_A} \cdot 6\text{ m} - 800\text{ N} \cdot (6\text{ m} - 1{,}5\text{ m}) - 1200\text{ N} \cdot 3\text{ m} &= 0 \\ 6\text{ m} \cdot F_{N_A} - 800\text{ N} \cdot 4{,}5\text{ m} - 3600\text{ N}\cdot\text{m} &= 0 \\ 6\text{ m} \cdot F_{N_A} - 3600\text{ N}\cdot\text{m} - 3600\text{ N}\cdot\text{m} &= 0 \\ 6\text{ m} \cdot F_{N_A} &= 7200\text{ N}\cdot\text{m} \\ F_{N_A} &= \dfrac{7200\text{ N}\cdot\text{m}}{6\text{ m}} \\ F_{N_A} &= 1200\text{ N} \end{aligned}$$ Oba sposoby dają identyczny wynik. -
Rysunek wynikowy i obliczenie sił nacisku na podpory:
Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona, siły nacisku \(F_{n_A}\) i \(F_{n_B}\) wywierane przez belkę na podpory są równe co do wartości siłom sprężystych reakcji podpór: $$\begin{aligned} F_{n_A} &= F_{N_A} = 1200\text{ N} \\ F_{n_B} &= F_{N_B} = 800\text{ N} \end{aligned}$$
Siła nacisku na podporę \(A\): \(F_{n_A} = 1200\text{ N}\)
Siła nacisku na podporę \(B\): \(F_{n_B} = 800\text{ N}\)
Zadanie 5
Siła działająca na drugą dłoń (podtrzymującą tyczkę w górę): \(F_2 = 160\text{ N}\)
- Tyczka jest jednorodna, więc siła ciężkości jest przyłożona dokładnie w jej geometrycznym środku (w połowie długości).
- Skorzystaj z warunków równowagi bryły sztywnej: suma sił działających w pionie musi wynosić zero, a suma momentów sił względem dowolnie wybranego punktu również musi być równa zero.
- Wybierz oś obrotu w punkcie przyłożenia jednej z sił rąk, aby wyeliminować jej moment z pierwszego równania.
Dane:
Masa tyczki: \(m_t = 4\text{ kg}\)
Długość tyczki: \(l = 5\text{ m}\)
Odległość pierwszej dłoni od lewego końca: \(x_1 = 50\text{ cm} = 0{,}5\text{ m}\)
Odległość między dłońmi: \(d = 50\text{ cm} = 0{,}5\text{ m}\)
Przyspieszenie ziemskie: \(g = 10\text{ m/s}^2\)
Szukane:
Wartość siły docisku pierwszej dłoni: \(F_1 = ?\)
Wartość siły podparcia drugiej dłoni: \(F_2 = ?\)
-
Rysunek pomocniczy i analiza sił działających na tyczkę w stanie wyjściowym:
Tyczka znajduje się w równowadze statycznej. Jej środek ciężkości \(S\) znajduje się w połowie długości: $$x_s = \dfrac{l}{2} = \dfrac{5\text{ m}}{2} = 2{,}5\text{ m}$$ Wartość siły ciężkości tyczki wynosi: $$F_g = m_t \cdot g = 4\text{ kg} \cdot 10\text{ m/s}^2 = 40\text{ N}$$ Druga dłoń znajduje się w odległości od tylnego końca równej: $$x_2 = x_1 + d = 0{,}5\text{ m} + 0{,}5\text{ m} = 1{,}0\text{ m}$$ Na tyczkę działają trzy siły pionowe:- siła docisku pierwszej dłoni \(\vec{F}_1\) skierowana w dół w punkcie \(x_1 = 0{,}5\text{ m}\),
- siła podparcia drugiej dłoni \(\vec{F}_2\) skierowana w górę w punkcie \(x_2 = 1{,}0\text{ m}\),
- siła grawitacji \(\vec{F}_g\) skierowana w dół w środku masy \(x_s = 2{,}5\text{ m}\).
-
Sposób I – Wyznaczenie sił z warunku momentów względem drugiej dłoni:
Wybieramy oś obrotu przechodzącą przez punkt podparcia tyczki przez drugą dłoń (\(x_2 = 1{,}0\text{ m}\)). Ramię siły \(\vec{F}_2\) wynosi zero, więc jej moment znika z równania. Ramiona sił względem tej osi wynoszą:- dla siły \(\vec{F}_1\): \(r_1 = d = 0{,}5\text{ m}\),
- dla siły ciężkości \(\vec{F}_g\): \(r_g = x_s - x_2 = 2{,}5\text{ m} - 1{,}0\text{ m} = 1{,}5\text{ m}\).
-
Sposób II – Wyznaczenie sił z warunku momentów względem pierwszej dłoni:
Dla potwierdzenia poprawności wyniku możemy wybrać oś obrotu w punkcie docisku pierwszej dłoni (\(x_1 = 0{,}5\text{ m}\)). Wtedy moment siły \(\vec{F}_1\) jest równy zeru. Ramiona pozostałych sił względem tego punktu to:- dla siły \(\vec{F}_2\): \(r_2 = d = 0{,}5\text{ m}\),
- dla siły ciężkości \(\vec{F}_g\): \(r_g' = x_s - x_1 = 2{,}5\text{ m} - 0{,}5\text{ m} = 2{,}0\text{ m}\).
-
Zestawienie obliczonych wartości na rysunku wynikowym:
Oto zweryfikowany układ sił z uwzględnieniem obliczonych wartości liczbowych:
Wartość siły dociskającej wywieranej przez pierwszą rękę wynosi \(F_1 = 120\text{ N}\), a wartość siły podtrzymującej wywieranej przez drugą rękę wynosi \(F_2 = 160\text{ N}\).
Zadanie 6
a) \(r_1 = 9\text{ cm}\) od środka kuli o masie \(0{,}4\text{ kg}\)
b) \(r_2 = 6\text{ cm}\) od środka kuli o masie \(0{,}6\text{ kg}\)
- Podczas obrotu kule napinają linkę na skutek bezwładności, a ustalone położenie osi zapewnia równowagę sił bez wywierania bocznego nacisku na prowadnicę wirownicy.
- Układ można opisać na dwa sposoby: bezpośrednio z definicji środka masy układu punktów materialnych lub badając równowagę sił dośrodkowych działających na wirujące ciała.
Dane:
\(m_{k_1} = 0{,}4\text{ kg}\)
\(m_{k_2} = 0{,}6\text{ kg}\)
\(l = 15\text{ cm} = 0{,}15\text{ m}\)
Szukane:
\(r_1 = ?\) (odległość środka kuli 1 od osi obrotu)
\(r_2 = ?\) (odległość środka kuli 2 od osi obrotu)
-
Rysunek pomocniczy i analiza geometryczna układu wyjściowego:
Po uruchomieniu wirownicy wiotka linka zostaje całkowicie wyprostowana i napięta, a jej długość \(l\) wyznacza stałą odległość między środkami wirujących kul. Oś obrotu \(O\) musi znajdować się między kulami, dzieląc odcinek \(l\) na promienie zataczanych okręgów \(r_1\) oraz \(r_2\), spełniające relację: $$r_1 + r_2 = l$$ -
Sposób I – Wyznaczenie położenia z definicji środka masy układu:
Wprowadzamy jednowymiarową oś współrzędnych \(x\) biegnącą wzdłuż pręta, z początkiem w środku pierwszej kuli (\(x_1 = 0\)). Wówczas współrzędna środka drugiej kuli wynosi \(x_2 = l = 15\text{ cm}\).
Współrzędną środka masy układu \(x_S\) wyznaczamy ze wzoru: $$x_S = \dfrac{m_{k_1} x_1 + m_{k_2} x_2}{m_{k_1} + m_{k_2}}$$ Podstawiamy dane liczbowe: $$\begin{aligned} r_1 = x_S &= \dfrac{0{,}4\text{ kg} \cdot 0 + 0{,}6\text{ kg} \cdot 15\text{ cm}}{0{,}4\text{ kg} + 0{,}6\text{ kg}} \\ &= \dfrac{9\text{ kg}\cdot\text{cm}}{1{,}0\text{ kg}} \\ &= 9\text{ cm} \end{aligned}$$ Odległość środka masy od drugiej kuli wynosi zatem: $$\begin{aligned} r_2 &= l - r_1 \\ &= 15\text{ cm} - 9\text{ cm} \\ &= 6\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wykorzystanie warunku dynamicznej równowagi sił:
W układzie odniesienia wirownicy na każdą z wirujących kul działa odśrodkowa siła bezwładności skierowana na zewnątrz od osi obrotu, równoważona przez naciąg linki \(N\): $$\begin{aligned} F_{od_1} &= m_{k_1} \omega^2 r_1 \\ F_{od_2} &= m_{k_2} \omega^2 r_2 \end{aligned}$$ Aby pręt i wirownica nie były poddawane żadnym siłom poprzecznym, siły te muszą się wzajemnie równoważyć (\(F_{od_1} = F_{od_2} = N\)): $$\begin{aligned} m_{k_1} \omega^2 r_1 &= m_{k_2} \omega^2 r_2 \\ m_{k_1} r_1 &= m_{k_2} r_2 \end{aligned}$$ Wykorzystując zależność \(r_2 = l - r_1\), otrzymujemy: $$\begin{aligned} m_{k_1} r_1 &= m_{k_2}(l - r_1) \\ m_{k_1} r_1 + m_{k_2} r_1 &= m_{k_2} l \\ r_1(m_{k_1} + m_{k_2}) &= m_{k_2} l \\ r_1 &= \dfrac{m_{k_2}}{m_{k_1} + m_{k_2}} \cdot l \end{aligned}$$ Po podstawieniu wartości otrzymujemy identyczny wynik: $$\begin{aligned} r_1 &= \dfrac{0{,}6}{0{,}4 + 0{,}6} \cdot 15\text{ cm} = 9\text{ cm} \\ r_2 &= 15\text{ cm} - 9\text{ cm} = 6\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy ze stanem końcowym i wektorami naciągu:
Oś obrotu przechodzi dokładnie przez środek masy układu \(S\), który leży bliżej cięższej kuli, w proporcji odwrotnie proporcjonalnej do mas kulek.
Środek masy układu znajduje się w odległości \(9\text{ cm}\) od środka kuli o masie \(0{,}4\text{ kg}\) oraz w odległości \(6\text{ cm}\) od środka kuli o masie \(0{,}6\text{ kg}\).
Grupa B
Zadanie 1
Dla siły \(\vec{F}_2\): wartość \(M_2 = 0\text{ N}\cdot\text{m}\) (wektor zerowy – brak określonego kierunku i zwrotu).
Dla siły \(\vec{F}_3\): wartość \(M_3 = 4\text{ N}\cdot\text{m}\), kierunek prostopadły do płaszczyzny rysunku, zwrot za płaszczyznę rysunku (od obserwatora / w głąb ekranu, \(\otimes\)).
Zadanie 2
Zadanie 3
Zadanie 4
Siła nacisku na filar \(B\): \(F_{n_B} = 1000\text{ N}\)
Zadanie 5
Wartość siły działającej na drugą dłoń (podtrzymującą tyczkę): \(F_2 = 150\text{ N}\)
Zadanie 6
a) \(r_1 = 15\text{ cm}\) od środka lżejszej kuli (\(m_{k_1} = 0{,}25\text{ kg}\))
b) \(r_2 = 5\text{ cm}\) od środka cięższej kuli (\(m_{k_2} = 0{,}75\text{ kg}\))
