Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

Podobné dokumenty
Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

4. Práce, výkon, energie a vrhy

PRÁCE, VÝKON, ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 1. ročník - Mechanika

(2) 2 b. (2) Řešení. 4. Platí: m = Ep

1) Jakou práci vykonáme při vytahování hřebíku délky 6 cm, působíme-li na něj průměrnou silou 120 N?

III. Dynamika hmotného bodu

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

Digitální učební materiál

6 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Řešení testu 1b. Fyzika I (Mechanika a molekulová fyzika) NOFY listopadu 2015

Mechanická práce a. Výkon a práce počítaná z výkonu Účinnost stroje, Mechanická energie Zákon zachování mechanické energie

Okamžitý výkon P. Potenciální energie E p (x, y, z) E = x E = E = y. F y. F x. F z

Hmotný bod - model (modelové těleso), který je na dané rozlišovací úrovni přiřazen reálnému objektu (součástce, části stroje);

Určete velikost zrychlení, kterým se budou tělesa pohybovat. Vliv kladky zanedbejte.

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2017 Studijní program: Fyzika Studijní obory: FFUM

BIOMECHANIKA. 9, Energetický aspekt pohybu člověka. (Práce, energie pohybu člověka, práce pohybu člověka, zákon zachování mechanické energie, výkon)

Práce, výkon, energie

Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů. = 30 s.

Obr. 9.1 Kontakt pohyblivé části s povrchem. Tomuto meznímu stavu za klidu odpovídá maximální síla, která se nezývá adhezní síla,. , = (9.

n je algebraický součet všech složek vnějších sil působící ve směru dráhy včetně

DYNAMIKA HMOTNÉHO BODU. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 1. ročník - Mechanika

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Dynamika, Newtonovy zákony

Řešení úloh 1. kola 52. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D., kde t 1 = s v 1

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

Práce, energie a další mechanické veličiny

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

3 Mechanická energie Kinetická energie Potenciální energie Zákon zachování mechanické energie... 9

7. Gravitační pole a pohyb těles v něm

Práce, výkon, energie

[GRAVITAČNÍ POLE] Gravitace Gravitace je všeobecná vlastnost těles.

Práce, výkon, energie

Dynamika soustav hmotných bodů

Test jednotky, veličiny, práce, energie, tuhé těleso

Projekt ŠABLONY NA GVM registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ III-2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Testovací příklady MEC2

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

Pohyb tělesa po nakloněné rovině

Mechanika tuhého tělesa

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

Příklady: 7., 8. Práce a energie

Laboratorní práce č. 3: Měření součinitele smykového tření

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

Dynamika. Hybnost: p=m v. F= d p. Newtonův zákon síly: , pro m=konst platí F=m dv dt =ma. F t dt. Impulz síly: I = t1. Zákon akce a reakce: F 1 = F 2

mechanická práce W Studentovo minimum GNB Mechanická práce a energie skalární veličina a) síla rovnoběžná s vektorem posunutí F s

TŘENÍ A PASIVNÍ ODPORY

Počty testových úloh

Přípravný kurz z fyziky na DFJP UPa

11. Dynamika Úvod do dynamiky

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

13 otázek za 1 bod = 13 bodů Jméno a příjmení:

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

BIOMECHANIKA. 7, Disipativní síly I. (Statické veličiny, smyková třecí síla, nakloněná rovina, odporová síla)

Úlohy pro samostatnou práci k Úvodu do fyziky pro kombinované studium

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

s 1 = d t 2 t 1 t 2 = 71 m. (2) t 3 = d v t t 3 = t 1t 2 t 2 t 1 = 446 s. (3) s = v a t 3. d = m.

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ TĚŽIŠTĚ

Ze vztahu pro mechanickou práci vyjádřete fyzikální rozměr odvozené jednotky J (joule).

Veletrh nápadů učitelů fyziky. Gravitační katapult

GRAVITAČNÍ POLE. Všechna tělesa jsou přitahována k Zemi, příčinou tohoto je jevu je mezi tělesem a Zemí

Pokyny pro písemné vypracování úloh

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

7. Na těleso o hmotnosti 10 kg působí v jednom bodě dvě navzájem kolmé síly o velikostech 3 N a 4 N. Určete zrychlení tělesa. i.

Zápočet z fyzikálního semináře 102XFS

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

1. Pro rovnoměrný přímočarý pohyb platí: A) t=s/v B) v=st C) s=v/t D) t=v/s 2. Při pohybu rovnoměrném přímočarém je velikost rychlosti:

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P02 DYNAMIKA HMOTNÉHO BODU

Dynamika. Síla a její účinky na těleso Newtonovy pohybové zákony Tíhová síla, tíha tělesa a síly brzdící pohyb Dostředivá a odstředivá síla

ÍKLAD 190 gram klidu 2880 km/h 0,01 s Otázky z y r ch c le l n dráha síla p sobící práci výkon kinetická energie hmotnosti 2 t rychlost pytle

23_Otáčivý účinek síly 24_Podmínky rovnováhy na páce 25_Páka rovnováha - příklady PL:

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

Dynamika hmotného bodu

e²ení testu 1 P íklad 1 v 1 u 1 u 2 v 2 Mechanika a kontinuum NAFY listopadu 2016

F - Jednoduché stroje

Mechanika - kinematika

Obsah 11_Síla _Znázornění síly _Gravitační síla _Gravitační síla - příklady _Skládání sil _PL:

Obsah 11_Síla _Znázornění síly _Gravitační síla _Gravitační síla - příklady _Skládání sil _PL: SKLÁDÁNÍ SIL -

Mechanická práce, výkon a energie pro učební obory

Dynamika pro učební obory

Digitální učební materiál

( ) ( ) Tření a valivý odpor II. Předpoklady: 1210

BIOMECHANIKA. 3,Geometrie lidského těla, těžiště, stabilita, moment síly

m.s se souřadnými osami x, y, z? =(0, 6, 12) N. Určete, jak velký úhel spolu svírají a jakou velikost má jejich výslednice.

2. Dynamika hmotného bodu

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Tematický celek: Jednoduché stroje. Úkol:

Dynamika vázaných soustav těles

V roce 1687 vydal Newton knihu Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ve které zformuloval tři Newtonovy pohybové zákony.

Když se sejde více částic aneb Mechanika tuhého tělesa

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

Řešení úloh 1. kola 55. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

Projekt ŠABLONY NA GVM registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ III-2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Transkript:

Příklad 5.3 Zadání: Elektron o kinetické energii E se srazí s valenčním elektronem argonu a ionizuje jej. Při ionizaci se část energie nalétávajícího elektronu spotřebuje na uvolnění valenčního elektronu argonu. Jaké budou energie obou elektronů po srážce, je-li kinetická energie nalétávajícího elektronu přesně 4krát větší než ionizační energie E I argonu. Předpokládejte, že hybnost valenčního elektronu před srážkou je zanedbatelná ve srovnání s počáteční hybností nalétávajícího elektronu. Změnu hybnosti atomu argonu zanedbejte. u u v v Řešení: Na celý proces ionizace argonu můžeme nahlížet jako na nepružnou srážku dvou elektronů. Platí zákon zachování hybnosti, celková hybnost soustavy se nemění. p 0 = p m u + m u = m v + m v Indexem a jsme označili nalétávající resp. valenční elektron. Změnu hybnosti atomu argonu jsme dle zadání zanedbali. Ze zadání rovněž můžeme počáteční rychlost u valenčního elektronu položit rovnu 0. Oba elektrony mají stejnou hmotnost m = m = m e. Dohromady dostáváme ze zákona zachování hybnosti vztah: u = v + v. Při nepružné srážce se nezachovává kinetická energie, část kinetické energie E nalétávajícího elektronu se spotřebuje na ionizaci valenčního elektronu danou ionizační energií E I. E = E + E + E I m eu = m ev + m ev + E I u = v + v + E I m e

Ze zadání víme, že velikost ionizační energie E I je 4krát menší než počáteční kinetická energie elektronu E. E I = 4 E = 8 m eu Ze zákona zachování hybnosti si vyjádříme rychlost v jako: v = u v a dosadíme poslední dva vztahy zpět do zákona zachování energie. u = v + u u v + v + 4 u 0 = v u v + 4 u 0 = v u v + 8 u Poslední kvadratická rovnice má dva kořeny: ( v, = u ± u u ( v, = ) u ± ( ) v, = u ± 4 Řešením kvadratické rovnice jsme rovnou získaly obě výsledné rychlosti v a v, neboť platí, že jejich součet je roven u. V důsledku principu nerozlišitelnosti nelze rozhodnout, který z elektronů má po srážce kterou rychlost, stejně jako nejde rozhodnout, který z elektronů byl před srážkou nalétávajícím elektronem a který elektronem valenčním. Spočítejme konečné kinetické energie E a E obou elektronů. ) E, = m ev, ( E, = m eu ± 4 ( E, = m eu 4 ± ( ) 3 E, = 8 ± E 4 ) 4 + 8 )

Příklad 5.4 Zadání: Ocelovou kouli o hmotnosti m = kg pustíme z výšky h 0 = m a necháme dopadnout na pevnou podložku. Koule se odrazí a vystoupá do výšky h = 30 cm. Když uděláme totéž s olověnou koulí o stejné hmotnosti, tak vystoupá jenom do výšky h = cm. Jaká část energie koule ε se při dopadu spotřebovala na deformaci koule a podložky anebo se přeměnila na teplo? Jaká je celková dráha s (tj. celková délka trajektorie) ocelové a olověné koule? Jakou celkovou práci W vykonala tíhová síla při pohybu ocelové a olověné koule? h 0 m h h Řešení: Uvážíme-li, že ve výšce h a h koule stojí, tj. jejich kinetická energie je nulová, pak lze zapsat zákon zachování energie ve tvaru: E p0 = E p + Q mgh 0 = mgh + Q, kde Q je energie spotřebovaná na deformaci koule a teplo a představuje energetické ztráty v průběhu nepružné srážky. Pro poměr ε energie Q a počáteční energie E p0 potom platí: ε = mgh 0 mgh mgh 0 = h 0 h h 0 = h h 0. Po dosazení hodnot ze zadání dostaneme, že u ocelové koule se spotřebuje 70% energie, v případě olověné koule 98% energie. Výsledná délka trajektorie s je dána jako součet drah h 0 (dolů), h (nahoru), h (dolů), h (nahoru), h (dolů) atd. (viz obrázek). Sousední výšky h i a h i+ jsou ovšem ve vzájemném poměru η = ε. Výsledná dráha s je tedy: s = h 0 + h + h +... = h 0 + i=0 s = h 0 + h 0 η i = h 0 + h 0 η i=0 ( s = h 0 + ) + η = h 0 η η s = h 0 h 0 + h h 0 h, h i b

kde ve druhé rovnici jsme využili znalosti součtu geometrické řady. Číselně je délka dráhy pro ocelovou kouli rovna 3/7 m, pro olověnou kouli 5/49 m. Práce, kterou vykoná tíhová síla, je při dopadu kuličky z výšky h 0 na podložku je A = mgh 0, protože tíhová síla je konstantní a má směr tečny k pohybu. Po odrazu kuličky je při jejím pohybu do výšky h práce mgh záporná a je stejně velká jako práce, kterou tíhová síla vykoná, když kuličku stáhne z výšky h zpět na podložku. Takže tyto dva příspěvky se navzájem odečtou. Podobně při každém dalším odrazu. Výsledná celková práce, kterou vykonala tíhová síla, je tedy A = mgh 0, číselně 9.8 J.

Příklad 5.5 Zadání: Světový rekord v hodu oštěpem je L o = 98.48 m, diskem L d = 74.08 m a koulí L k = 3. m. Hmotnost oštěpu je 800 g, disku kg a koule 7.6 kg. Jaká byla práce vykonaná sportovcem při světovém rekordu v hodu oštěpem, diskem a koulí? Předpokládejte, že atlet hodil svoje nářadí pod úhlem α = 45, aby dolétlo nejdále. Odpor vzduchu zanedbejte. Řešení: Práce W, kterou atlet vykonal je rovna celkové mechanické energii vrženého předmětu. Ta má nejjednodušší tvar v počátečním a koncovém bodě vrhu, kdy je potenciální energie nulová: W = E k + E p = mv 0, je tedy nutné vyjádřit neznámý kvadrát počáteční rychlosti v 0 ze znalosti délky vrhu L. Pohybové rovnice pro šikmý vrh mají následující tvar: mẍ = 0 mÿ = mg. Obecné řešení těchto rovnic po dosazení hodnoty úhlu, pod kterým byl předmět vržen, α = 45 a nulových počátečních poloh x 0 a y 0 je: x(t) = x 0 + v 0 t cos α = v 0t y(t) = y 0 + v 0 t sin α gt = v 0t gt V bodě kdy se vržený předmět dotkne Země je hodnota y nulová: 0 = v 0t gt. Poslední rovnice má dva kořeny t 0 = 0 a t L odpovídající vrhu předmětu resp. jeho dopadu. v0 t L = g Délka vrhu je potom rovna hodnotě funkce x(t) v čase t L : L = x(t L ) = v 0t L = v 0 g. Dosadíme-li do zákona zachování energie, dostaneme konečný výsledek. Číselně je vykonaná práce 386.6 J pro hod oštěpem, 77.0 J pro hod diskem a 83.6 J pro vrh koulí. W = mv 0 = mgl Stejného výsledku je možné dosáhnout také skrze úvahu o výšce výstupu H. V nejvyšším bodě je celková energie rovna součtu potenciální energie ve výšce H a kinetické energie odpovídající rovnoměrnému pohybu ve směru osy x. W = mgh + mv 0x = mgh + 4 mv 0

V maximální výšce je rychlost v y nulová a lze si vyjádřit dobu výstupu t H : 0 = t H = v 0 gt v 0 g. Výšku výstupu dostaneme, dosadíme-li do trajektorie y(t) za čas dobu t H : H = y(t H ) = v 0t H gt H = v 0 g v 0 4g = v 0 4g. Dohromady po dosazení do vztahu pro práci dostáváme stejný výsledek jako v předchozím případě, což pouze potrvrzuje, že během pohybu vrženého předmětu se celková mechanická energie zachovává. W = mg v 0 4g + 4 mv 0 = mv 0 = mgl

Příklad 5.6 Zadání: Automobil o hmotnosti m =. t má motor o maximálním výkonu P max = 63 kw. Při pohybu po rovině konstantní rychlostí v = 50 km/h vyvíjí motor výkon pouze P r = 5 kw. Určete největší stoupání silnice (tj. úhel α, který svah svírá s vodorovným směrem), na němž se automobil může pohybovat touto rychlostí za předpokladu, že odporové síly nezávisí na velikosti stoupání. m F F t F n α F G Řešení: Při maximální možné velikosti stoupání α využije automobil veškerý maximální výkon P max. Přitom jeho část o velikosti P r, která nezávisí na velikosti stoupání, spotřebuje na překonání odporových sil jako jsou např. tření a odpor vzduchu. Zbylou část výkonu P α závislou na velikosti stoupání α spotřebuje automobil na překonání tečné složky tíhové síly. P max = P r + P α Aby se automobil pohyboval konstantní rychlostí v, musí být výslednice působících sil nulová. Na automobil tedy musí působit vedle tíhové síly ještě síla F o stejné velikosti a opačném směru, jako má tečná složka tíhové síly F t, viz obrázek. Výkon P α je tedy roven součinu síly F a rychlosti v. Velikost maximálního stoupání silnice je 7. P max = P r + mgv sin α sin α = P max P r mgv

Příklad 5.8 Zadání: Hranol o hmotnosti m klouže po nakloněné rovině a je spojen nehmotnými lany se dvěma závažími m a m, které visí na dvou kladkách podle obrázku. Kinematický koeficient smykového tření je f. Závaží m je těžší a je zavěšeno ve výšce d nad zemí. Vypočtěte zrychlení závaží m a čas, za který dopadne na zem. m α F t F G F n m m d Řešení: Výsledná síla F působící na závaží m je rovna součtu 4 sil: F tíhová síla působící na závaží m, F tíhová síla působící na závaží m, tečná složka tíhové síly F t působící na závaží m a třecí síla F s působící smykovým třením proti pohybu závaží m. Z obrázku je patrné, že pro velikosti sil musí platit: F = F F F t F s F = m g F = m g F t = mg sin α F s = ff n = mgf cos α, kde velikost třecí síly je rovna součinu kinematického koeficientu smykového tření f a normálové složky tíhové síly F n. Celá soustava závaží o celkové hmotnosti M = m +m +m se bude pohybovat se zrychlením a. Neboli: F = Ma a = g m m m sin α mf cos α. m + m + m Pro dráhu d rovnoměrně zrychleného pohybu platí d = at. Výsledná doba T, za kterou dopadne závaží na zem je tedy rovna: d T = a = d m + m + m g m m m sin α mf cos α.

Příklad 5.9 Zadání: Těleso o hmotnosti M = 0 kg umístíme na nakloněnou rovinu se sklonem α = 40 a přes kladkostroj na něj působíme silou F, viz obrázek. (a) Jaká je minimální velikost síly F, aby byla celá soustava v rovnováze? (b) Jaké bude zrychlení tělesa M (velikost a směr), pokud síla F = 8 N a koeficient smykového tření mezi tělesem M a rovinou f = 0.3? Hmotnost všech vláken a kladek zanedbejte. M 4F F t a F a F G F n Řešení: Nejprve rozeberme všechny síly, které působí v těžišti tělesa M. Tíhovou sílu F G můžeme rozložit na tečnou složku F t a normálovou složku F n. F G = Mg F t = F G sin α = Mg sin α F n = F G cos α = Mg cos α Silou F působíme na těleso přes volné a jednu pevnou kladku. Jak víme, síla působící na volnou kladku je dvojnásobná oproti síle působící na jejím kraji. Dohromady tedy působí ještě na těleso v tečném směru síla o velikosti 4F. Velikost třecí síly F s je dána jako součin velikosti normálové síly F n a koeficientu smykového tření f, přičemž její směr je vždy opačný než je směr pohybu. Uvažujme nejprve pohyb tělesa po nakloněné rovině směrem vzhůru.. Newtonův zákon má tvar: Ma = 4F F t F s Ma = 4F Mg sin α Mgf cos α. Při nulovém zrychlení tělesa dostáváme maximální sílu F: F max = Mg 4 (sin α + f cos α).

Při pohybu tělesa po nakloněné rovině směrem dolů má. Newtonův zákon tvar: Ma = F t F s 4F Ma = Mg sin α Mgf cos α 4F. Pro nulové zrychlení tělesa dostáváme minimální sílu F: F min = Mg 4 (sin α f cos α). Pokud bude velikost působící síly ležet v intervalu hodnot od F min do F max, bude zrychlení tělesa nulové a soustava bude v rovnováze. V důsledku statického tření může tedy síla F nabývat více různých hodnot a podmínka rovnováhy bude stále splněna. F [F min, F max ] F [0. N,.4 N] Síla o velikosti 8 N je menší než F min. Těleso se tudíž bude pohybovat směrem dolů se zrychlením a o velikosti 0.85 m s : Ma = Mg sin α Mgf cos α 4F, a = g sin α gf cos α 4F M.