2 Ruch prostoliniowy

Sprawdzian 2

Grupa A

Zadanie 1

Motocykl testowy wystartował z linii pomiarowej z prędkością początkową \(v_1 = 0\text{ m/s}\). Zależność jego przyspieszenia od czasu \(a(t)\) zarejestrowaną podczas pierwszych dziesięciu sekund próby przedstawiono na poniższym wykresie. Wyznacz wartość prędkości, z jaką będzie poruszał się ten motocykl w chwili \(t = 10\text{ s}\).
a [ m s2 ] t [s] 4 3 2 1 0 -1 -2 2 4 5 6 8 10

Zadanie 2

W trakcie testu pionowego wznoszenia bezzałogowego drona transportowego, na wysokości \(h = 60\text{ m}\) nad poziomem płyty lądowiska nastąpiło samoczynne odczepienie zasobnika pomiarowego. W chwili rozłączenia dron poruszał się pionowo w górę ze stałą prędkością o wartości \(v_1 = 5\text{ m/s}\). Wyznacz czas, po upływie którego zasobnik uderzy w płytę lądowiska. W obliczeniach przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego \(g = 10\text{ m/s}^2\) oraz pomiń wpływ oporów powietrza.

Zadanie 3

Z pneumatycznej wyrzutni laboratoryjnej wystrzelono pionowo w górę miniaturową kapsułę badawczą z prędkością początkową \(v_1 = 8\text{ m/s}\). Wylot wyrzutni znajdował się na wysokości \(y_1 = 1{,}8\text{ m}\) nad posadzką sali badawczej, którą przyjęto jako poziom odniesienia (\(y = 0\)). W obliczeniach przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego \(g = 10\text{ m/s}^2\) oraz pomiń opór powietrza.

a) Wyznacz maksymalną wysokość nad poziomem posadzki, jaką osiągnie wystrzelona kapsuła.

b) Oblicz całkowity czas trwania lotu kapsuły od momentu opuszczenia wyrzutni do uderzenia w posadzkę.

c) Po upływie czasu \(\Delta t = 0{,}4\text{ s}\) od startu pierwszej kapsuły, z tego samego wylotu i z identyczną prędkością początkową wystrzelono pionowo drugą kapsułę. Przyjmując zwrot osi \(y\) pionowo w górę, równanie ruchu pierwszej kapsuły ma postać \(y_A = y_1 + v_1 t - \dfrac{1}{2}gt^2\), a drugiej \(y_B = y_1 + v_1(t - \Delta t) - \dfrac{1}{2}g(t - \Delta t)^2\). Wyznacz chwilę czasu oraz wysokość, na której dojdzie do spotkania obu kapsuł.

d) Sporządź wykres zależności położenia od czasu \(y(t)\) dla obu kapsuł we wspólnym układzie współrzędnych i zaznacz punkt ich spotkania.

e) Oblicz prędkości obu kapsuł w momencie ich spotkania oraz przedstaw fizyczną interpretację otrzymanych znaków i wartości.

f) Korzystając ze związku \(v_{\text{wzg}} = v_A - v_B\), wyznacz prędkość względną kapsuł w trakcie ich jednoczesnego lotu (do momentu zderzenia) i określ, jakim ruchem poruszają się one względem siebie.

Zadanie 4

Na prostoliniowym pasie toru badawczego samochód osobowy przemieszcza się ruchem jednostajnym z prędkością \(v_1 = 108\text{ km/h}\). W pewnej chwili mija on jadący w tym samym kierunku pojazd techniczny poruszający się ze stałą prędkością \(v_2 = 72\text{ km/h}\). Dokładnie w momencie zrównania się obu maszyn kierowca wozu technicznego rozpoczyna procedurę testowego pościgu, jadąc ze stałym przyspieszeniem \(a = 2\text{ m/s}^2\).

a) Po jakim czasie pojazd techniczny zrówna się z samochodem osobowym?

b) Wyznacz prędkość pojazdu technicznego w chwili ponownego zrównania się z autem osobowym.

c) Oblicz długość drogi, jaką pokonał pojazd techniczny od startu manewru do momentu dogonienia samochodu osobowego.

W kolejnym etapie badań analizowano dynamikę rozpędzania samochodu sportowego przy kolejnych przełożeniach skrzyni biegów w trakcie sprintu ze startu zatrzymanego. Charakterystyki osiąganych przyspieszeń w zależności od chwilowej prędkości pojazdu na poszczególnych biegach przedstawiono na poniższym wykresie. Załóż, że przyspieszenie na danym przełożeniu zmienia się liniowo w czasie, a zmiana biegu następuje po osiągnięciu maksymalnego przyspieszenia na danym przełożeniu.
20 40 60 80 100 120 140 160 180 v [km/h] 0 1 2 3 4 5 6 a [m/s2] bieg 1 bieg 2 bieg 3 bieg 4 bieg 5
d) Odczytaj odpowiednie wartości z wykresu i porównaj czasy niezbędne do zwiększenia prędkości pojazdu od \(36\text{ km/h}\) do \(72\text{ km/h}\) na biegu 2 oraz na biegu 4.

e) Zgodnie z wykresem kierowca włączył 3. bieg przy prędkości \(36\text{ km/h}\) i kontynuował rozpędzanie na nim aż do osiągnięcia \(72\text{ km/h}\). Wyznacz długość drogi, jaką samochód przebył w tym przedziale prędkości.

Zadanie 5

W pracowni fizycznej rejestrowano ruch swobodnie spadającego stalowego ciężarka o masie \(m_c = 50\text{ g}\), zwolnionego z elektromagnesu bez prędkości początkowej. Obok toru spadku zamontowano pionową taśmę mierniczą z podziałką milimetrową. Ruch nagrano kamerą wideo pracującą z częstotliwością \(20\text{ klatek na sekundę}\). Na podstawie analizy pojedynczych klatek filmu odczytano położenie ciężarka w kolejnych chwilach czasu, przyjmując za początek układu położenie w chwili zwolnienia (\(t_1 = 0\text{ s}\), \(s_1 = 0\text{ cm}\)). Zestawienie uzyskanych wyników przedstawiono w tabeli:
\(t\text{ [s]}\) 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
\(s\text{ [cm]}\) 0 1,2 4,9 11,0 19,6 30,6 44,1
Niepewność pomiaru położenia ciężarka wynosi \(\Delta s = 0{,}5\text{ cm}\), a niepewność wyznaczenia czasu \(\Delta t\) przyjęto jako równą połowie odstępu czasu między sąsiednimi klatkami nagrania.

a) Sporządź wykres zależności przebytej drogi od czasu \(s(t)\) z naniesionymi słupkami niepewności pomiarowych (krzyżami błędów).

b) Wyprowadź wzór analityczny wiążący przyspieszenie grawitacyjne \(g\) z wielkościami mierzonymi w opisanym doświadczeniu.

c) Sporządź wykres zlinearyzowany \(s(t^2)\) wraz z zaznaczonymi niepewnościami pomiarowymi oraz poprowadź prostą najlepszego dopasowania.

d) Korzystając ze współczynnika kierunkowego prostej dopasowania z wykresu \(s(t^2)\), oblicz doświadczalną wartość przyspieszenia grawitacyjnego \(g\) wraz z jej niepewnością pomiarową \(\Delta g\).

e) Zestaw wyznaczoną wartość przyspieszenia ziemskiego z wartością wzorcową (tablicową) \(g_{\text{tab}} = 9{,}81\text{ m/s}^2\). Rozstrzygnij, czy wartość tablicowa mieści się w wyznaczonym przedziale niepewności pomiarowej.

Grupa B

Zadanie 1

Badano ruch prostoliniowy elektrycznego wagonika szynowego, który w chwili początkowej znajdował się w spoczynku (\(v_1 = 0\text{ m/s}\)). Na zamieszczonym schemacie przedstawiono zależność przyspieszenia tego wagonika od czasu \(a(t)\) zarejestrowaną przez aparaturę pomiarową. Oblicz prędkość pojazdu po upływie czasu \(t = 8\text{ s}\).
a [ m s2 ] t [s] 4 3 2 1 0 -1 -2 2 3 4 6 8

Zadanie 2

Z zewnętrznej platformy montażowej poruszającej się pionowo do góry ze stałą prędkością \(v_1 = 10\text{ m/s}\) wypadło przypadkowo narzędzie. Zdarzenie miało miejsce na wysokości \(h = 75\text{ m}\) nad gruntem. Po jakim czasie od momentu wypadnięcia narzędzie osiągnie poziom gruntu? W obliczeniach przyjmij przyspieszenie ziemskie \(g = 10\text{ m/s}^2\) oraz pomiń opór powietrza.

Zadanie 3

Ze stanowiska wyrzutni sprężynowej wystrzelono pionowo w górę małą stalową kulkę z prędkością początkową \(v_1 = 4\text{ m/s}\). Mechanizm wystrzeliwujący umieszczono na wysokości \(y_1 = 1{,}0\text{ m}\) nad poziomem podłoża, który stanowi punkt odniesienia \(y = 0\). W obliczeniach przyjmij przyspieszenie ziemskie \(g = 10\text{ m/s}^2\) oraz pomiń opory ruchu.

a) Oblicz najwyższy punkt toru (maksymalną wysokość nad podłożem), na jaką wzniesie się kulka.

b) Wyznacz całkowity czas ruchu kulki od chwili jej wystrzelenia do uderzenia o ziemię.

c) Po upływie \(\Delta t = 0{,}2\text{ s}\) od startu pierwszej kulki, w ten sam sposób wystrzelono identyczną drugą kulkę z taką samą prędkością początkową. Korzystając z równań położeń \(y_A = y_1 + v_1 t - \dfrac{1}{2}gt^2\) oraz \(y_B = y_1 + v_1(t - \Delta t) - \dfrac{1}{2}g(t - \Delta t)^2\), wyznacz czas oraz wysokość ich spotkania.

d) Przedstaw na wspólnym wykresie zależność wysokości obu kulek od czasu \(y(t)\) i zaznacz punkt ich spotkania.

e) Oblicz wartości prędkości obu kulek w momencie ich spotkania i podaj fizyczną interpretację otrzymanych wyników.

f) Korzystając z relacji \(v_{\text{wzg}} = v_A - v_B\), oblicz prędkość względną kulek w czasie ich jednoczesnego lotu i wskaż rodzaj ruchu, jaki wykonują one względem siebie.

Zadanie 4

Na prostym odcinku trasy ekspresowej motocykl turystyczny porusza się ruchem jednostajnym ze stałą prędkością \(v_1 = 126\text{ km/h}\). W pewnej chwili mija on patrol drogowy przemieszczający się w tym samym kierunku ze stałą prędkością \(v_2 = 90\text{ km/h}\). W momencie minięcia kierowca radiowozu podejmuje pościg, przyspieszając ze średnim przyspieszeniem \(a = 2{,}5\text{ m/s}^2\).

a) Po jakim czasie radiowóz zrówna się z motocyklem?

b) Oblicz prędkość radiowozu w chwili ponownego zrównania się z motocyklem.

c) Jaką drogę pokona samochód patrolowy od chwili rozpoczęcia pościgu do dogonienia motocykla?

W kolejnej próbie drogowej badano dynamikę przyspieszania radiowozu podczas ruszania i kolejnej zmiany biegów. Zależności przyspieszeń możliwych do uzyskania na poszczególnych przełożeniach w funkcji prędkości pojazdu przedstawiono na poniższym wykresie. Załóż, że przyspieszenie pojazdu zmienia się liniowo w czasie, a zmiana biegu następuje po osiągnięciu maksymalnego przyspieszenia na danym biegu.
20 40 60 80 100 120 140 160 180 v [km/h] 0 1 2 3 4 5 6 a [m/s2] bieg 1 bieg 2 bieg 3 bieg 4 bieg 5
d) Odczytaj odpowiednie wartości z wykresu i porównaj czasy niezbędne do zwiększenia prędkości radiowozu od \(54\text{ km/h}\) do \(90\text{ km/h}\) na biegu 2 oraz na biegu 4.

e) Z treści zadania i wykresu wynika, że kierowca włączył 3. bieg przy prędkości \(54\text{ km/h}\), a jazdę na tym biegu zakończył przy \(90\text{ km/h}\). Oblicz długość drogi, jaką w tym czasie pokonał pojazd.

Zadanie 5

W trakcie zajęć laboratoryjnych badano ruch swobodnego opadania niewielkiej mosiężnej kuli upuszczonej z wysokości początkowej bez prędkości początkowej. Spadek zarejestrowano kamerą wideo pracującą z częstotliwością \(50\text{ klatek na sekundę}\) na tle pionowej podziałki milimetrowej. Pozycję kuli wyznaczano co drugą klatkę nagrania, co odpowiada stałemu odstępowi czasu między pomiarami równemu \(0{,}04\text{ s}\). Wyniki pomiarów drogi \(s\) pokonanej w kolejnych chwilach czasu \(t\) zestawiono w tabeli:
\(t\text{ [s]}\) 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28
\(s\text{ [cm]}\) 0 0,8 3,1 7,1 12,5 19,6 28,2 38,4
Niepewność pomiaru drogi oszacowano na \(\Delta s = 0{,}4\text{ cm}\), natomiast niepewność wyznaczenia czasu \(\Delta t\) przyjęto jako równą połowie odstępu między analizowanymi klatkami (\(\Delta t = 0{,}02\text{ s}\)).

a) Sporządź wykres zależności drogi od czasu \(s(t)\) wraz z zaznaczonymi słupkami niepewności pomiarowych.

b) Wyprowadź zależność matematyczną pozwalającą wyznaczyć wartość przyspieszenia grawitacyjnego \(g\) na podstawie pomiarów drogi i czasu w spadku swobodnym.

c) Sporządź wykres zależności \(s(t^2)\) z uwzględnieniem przedziałów niepewności oraz narysuj prostą najlepszego dopasowania.

d) Korzystając z nachylenia prostej sporządzonej w podpunkcie c), wyznacz wartość przyspieszenia grawitacyjnego \(g\) wraz z niepewnością pomiarową \(\Delta g\).

e) Zestaw wyznaczoną wartość przyspieszenia ziemskiego z wartością tablicową \(g_{\text{tab}} = 9{,}81\text{ m/s}^2\) i oceń, czy uzyskany wynik mieści się w granicach niepewności pomiarowej.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *