Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31

Jakiś czas temu było zadanie ze statyki z układów płaskich a teraz zrobimy prosty układ przestrzenny.

Jest taka sobie klapa o masie m w kształcie trójkąta równoramiennego ułożyskowana na jednym z boków.
statyka22 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Żeby się ta klapa trzymała w pozycji poziomej, to do jednego z wierzchołków przymocowano cięgno. Drugi koniec cięgna zamocowano do pionowej ściany na wysokości h równej długości boku trójkąta. Autor zadaje pytanie:

OBLICZ REAKCJE WIĘZÓW

Jasna sprawa że chodzi o:
– reakcje w łożyskach
– i siłę w cięgnie.

Po pierwsze

Uwalniamy od więzów czyli zastępujemy siłami łożyska i pręt, bo to łączy klapę ze światem zewnętrznym.
statyka23 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
W lewym łożysku będziemy mieć 3 reakcje ( 2 poprzeczne i jedna wzdłużna) ponieważ jest to łożysko poprzeczno-wzdłużne. W prawym łożysku będą 2 prostopadłe reakcje w poprzek osi obrotu klapy, ponieważ jest to łożysko poprzeczne. Szósta reakcja jest siłą wzdłuż cięgna. Ciężar klapy przykładamy w środku ciężkości trójkąta czyli w 1/3 wysokości od podstawy.

Po drugie

Piszemy równania równowagi. Tutaj można napisać 6 równań ( trzy sumy rzutów sił na osie i trzy sumy momentów wokół osi) ponieważ jest to układ sił:
– przestrzenny
– rozbieżny – bo siły nie zbiegają się w jednym punkcie

Przy okazji warto określić położenie siły S a dokładnie kąt zawarty między siłą S a bokiem trójkąta.
Wiemy że zarówno podstawa jak i wysokość trójkąta mają długość h. Jak podzielimy trójkąt na pół to będziemy mieć 2 jednakowe trójkąty prostokątne.statyka24 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Długości przyprostokątnych widzimy na rysunku powyżej a przeciwprostokątną obliczymy z twierdzenia Pitagorasa:
h² + (h/2)² = AC²
AC = √[h² + (h/2)² ] = √ [h² + h² /4 ] = √ [1,25*h² ]  = 1,12 * h

To już zrobione, to teraz trzeba obliczyć kąt między cięgnem-siłą S a obliczoną przeciwprostokątną AC.
statyka25 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Jak widać na powyższym rysunku, jest to kąt między przeciwprostokątną klapy a jedną z przyprostokątnych kolejnego trójkąta prostokątnego ale tym razem takiego który jest umieszczony w pionie. Widać również, że mamy długości 2 boków, czyli możemy użyć trygonometrii. Jeżeli w trójkącie prostokątnym mamy kąt i 2 przyprostokątne, to z daleka widać, że to będzie tangens:
tgα = h : (1,12*h) = 0,893
czyli szukany kąt wynosi
α = arctg0,893 = 42°

Kolejna pomocnicza czynność to obliczenie kąta wierzchołkowego klapy w punkcie mocowania cięgna. Tutaj warto wrócić do połowy trójkąta równoramiennego-klapy czyli trójkąta prostokątnego ADC.

statyka26 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Na rysunku powyżej oznaczono połowę kąta wierzchołkowego klapy jako β/2. Znamy wszystkie długości boków w trójkącie prostokątnym i jeżeli wiemy że do obliczenia kąta musimy użyć trygonometrii, to możemy użyć dowolnej funkcji. Dla uproszczenia obliczeń użyjemy funkcji tangens:
tgβ/2 = 0,5*h / h = 0,5
β/2 = arctg0,5 = 26,5°
a więc szukany kąt wierzchołkowy trójkąta w punkcie mocowania cięgna wyniesie:
β = 53°
To jak już mamy wszystkie kąty i wzajemne położenie sił działających na klapę, to warto rozłożyć siłę w cięgnie S na dwie składowe, ponieważ nie jest ona równoległa do żadnej osi. Wiadomo tyle, że tworzy ona kąt a z bokiem AC trójkąta, wobec tego rozkładamy ją  na 2 składowe:
– pionową S*sinα
– równoległą do boku trójkąta S*cos α

statyka27 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31

Po trzecie

To teraz piszemy równania równowagi statycznej dla tego układu i dobrze będzie zacząć od sumy momentów:
∑Mix = m*g*h/3 – S*sinα*h=0 [1]
Wiadomo, że siła daje moment względem osi jeżeli:
NIE PRZECINA osi
– lub NIE JEST RÓWNOLEGŁA do osi
Wobec tego moment względem osi x (osi obrotu klapy) dają ciężar m*g i siła w cięgnie S.
Wiadomo również, że:
MOMENT = SIŁA * RAMIĘ
oraz wiadomo również, że siła i ramię muszą być do siebie PROSTOPADŁE.
W nawiązaniu do powyższego równania momentów:
– ciężar m*g działa na ramieniu 1/3 wysokości trójkąta h (bo tutaj jest jego środek ciężkości)
– składowa S*sinα działa na ramieniu h
I tutaj należy podkreślić, że składowa S*cosα nie daje momentu, ponieważ PRZECINA oś x. Jak już to wszystko wiadomo, to lecimy z pozostałymi osiami:
∑Miy = m*g*h/2 – S*sinα*h/2 – RBz*h = 0 [2]
Tutaj należy podkreślić że siły RAz i RAx nie dają momentów, bo przecinają oś y, a siły RAy i RBy też NIE dają momentów, ponieważ są do osi y RÓWNOLEGŁE.
No i została oś z:
∑Miz = RBy * h = 0 [3]
Sumy momentów są zrobione to teraz sumy rzutów sił:
∑Pix = RAx + S*cosα*sin β/2 = 0 [4]
∑Piy = RAy + RBy – S*cosα*cosβ/2 = 0 [5]
∑Piz = RAz + RBz – m*g + S*sinα = 0 [6]

I oto mamy wszystkie równania statyczne dla tego układu. Z powyższych 6 równań można wszystkie reakcje obliczyć. Z równania [1] obliczymy siłę w cięgnie:
m*g*h/3 = S*sinα*h
m*g = S*sinα*3
S = m*g : (3*sinα) = m*g : (3*sin42° ) = 0,5*m*g

Z równania [2] obliczymy reakcję RBz:
m*g*h/2 – S*sinα*h/2 = RBz*h
RBz = m*g/2 – S*sinα/2 = 0,5*m*g – 0,5*m*g*sin21° = 0,32*m*g
Z równania [3] wynika:
RBy = 0

Z równania [4] obliczymy reakcję RAx:
RAx = (-S)*cosα*sinβ/2 = (-m*g / (3*sin α) )*cosα*sinβ/2 =
= (-0,17)*m*g*ctgα*sinβ = (-0,17)*m*g*ctg42°*sin53° =
= (-0,15)*m*g

Z równania [5] obliczymy RAy:
RAy = (-RBy) + S*cosα*cosβ/2 = 0,17*m*g*ctgα*cosβ  =
= 0,17*m*g*ctg42°*cos53°  = 0,11*m*g

Z równania [6]obliczymy reakcję RAz:
RAz = (-RBz) + m*g – S*sinα = (-m)*g/2 + S*sinα/2 + m*g – S*sinα =
= S*(sinα /2-sinα) + 0,5*m*g =
= m*g / (3*sinα)*(sinα/2-sinα) + 0,5*m*g =
= 0,33*m*g * sin21° / sin42° + 0,17*m*g = 0,35*m*g

Prawda że łatwe?

Dynamika – energia – zadanie 30

Dzisiaj zrobimy kolejne i trochę inne zadanie z dynamiki z energii:

Dynamika – energia – zadanie 21

Na rysunku widać że pudło startuje z prędkością początkową i zjeżdża po równi, w drugim etapie jedzie po drodze poziomej i w trzecim etapie wjeżdża po równi. Każdy z 3 odcinków odpowiada drodze s.

dynamika9 - Dynamika - energia - zadanie 30

Pytanie na jakie szukamy odpowiedzi to:

JAKA MUSI BYĆ PRĘDKOŚĆ POCZĄTKOWA PUDŁA, ŻEBY PRZEJECHAŁO WSZYSTKIE 3 ODCINKI O DŁUGOŚCIACH s?

Po pierwsze

Ustalamy siły zewnętrzne działające na pudło w każdym z 3 odcinków.

dynamika10 - Dynamika - energia - zadanie 30

Jak widać na pudło działa:

  • ciężar m*g
  • nacisk N1 , N2 lub N3
  • tarcie μ*N1 , μ*N2 lub μ*N3

 

Po drugie

Piszemy równanie mówiące, że

ZMIANA ENERGII KINETYCZNEJ UKŁADU

RÓWNA SIĘ

PRACY WYKONANEJ PRZEZ SIŁY ZEWNĘTRZNE

ΔEk = ∑L

Ponieważ w tym zadaniu mamy 3 odcinki, po których porusza się pudło, to będziemy mieć 3 etapy kiedy praca będzie przechodzić w energię.
dynamika11 - Dynamika - energia - zadanie 30
Poszczególne odcinki oznaczono na CZERWONO:
1-2 – odcinek pierwszy – zjazd z równi
2-3 – odcinek drugi – ruch po drodze poziomej
3-4 – odcinek trzeci – wjazd na równię

Kolejno dla poszczególnych odcinków równoważność pracy i zmiany energii:

Ek2 – Ek1 = ∑L1-2
Ek3 – Ek2 = ∑L2-3
Ek4 – Ek3 = ∑L3-4

Po trzecie

Energia kinetyczna pudła w punkcie 1 – początek zjazdu z równi:
Ek1 = m * V² / 2

Energia kinetyczna pudła w punkcie 2 – po zjeździe z równi:
Ek2 = m * V2² / 2

Energia kinetyczna pudła w punkcie 3 – na końcu odcinka poziomego:
Ek3 = m * V3² / 2

Energia kinetyczna pudła w punkcie 4 – po wjeździe na równię:
Ek4 = 0

Po czwarte

Suma prac sił zewnętrznych na poszczególnych odcinkach:
Odcinek 1-2 – praca siły tarcia i ciężaru:
∑L1-2 = m*g*s*sinα – N1*m*s

Odcinek 2-3 – praca siły tarcia:
∑L2-3 = (-N2)*m*s

Odcinek 3-4 – praca siły tarcia i ciężaru:
∑L3-4 = (-m)*g*s*sinα – N3*m*s

Na podstawie tego co powyżej powstaną 3 równania równoważności pracy i energii – trzy bo są 3 odcinki ruchu pudła:

Pierwszy odcinek:
m*V2² / 2  – m*V² / 2 = m*g*s*sinα – N1*m*s

Drugi odcinek:
m*V3² / 2 – m*V2² / 2 = (-N2)*m*s

Trzeci odcinek:
0 – m*V3² / 2 = (-m)*g*s*sinα – N3*m*s

Po piąte

W ten sposób powstał układ 3 równań i teraz policzymy niewiadome:
V2 , V , N1 , V3 , N2 , N3
6 niewiadomych i 3 równania czyli potrzeba 3 dodatkowych równań. Najbardziej stosowne będzie obliczenie nacisków N1 , N2 oraz N3 na 3 kolejnych odcinkach.

dynamika10 - Dynamika - energia - zadanie 30
Pierwszy odcinek – piszemy sumę rzutów sił na oś równoległą do niewiadomej N1:
∑Piy = N1 – m*g*cosα = 0
Nacisk podczas zjazdu z równi:
N1 = m*g*cosα

Drugi odcinek – piszemy sumę rzutów sił na oś równoległą do niewiadomej N2:
∑Piy = N2 – m*g = 0
Nacisk podczas jazdy po drodze poziomej:
N2 = m*g

Trzeci odcinek – piszemy sumę rzutów sił na oś równoległą do niewiadomej N3:
∑Piy = N3 – m*g*cosα = 0
Nacisk podczas wjazdu na równię:
N3 = m*g*cosα

To jak już mamy policzone wszystkie naciski N1 , N2 i N3 to teraz to wstawimy do równań równoważności pracy i energii:
m*V2² / 2 – m*V² / 2 = m*g*s*sinα – m*g*cosα*m*s [1]
m*V3² / 2 – m*V2² / 2 = (-m*g )*m*s [2]
0 – m*V3² / 2 = (-m)*g*s*sinα – m*g*cosα*m*s [3]

Na początek bierzemy równanie [3] i obliczymy z niego prędkość na końcu odcinka poziomego V3:
m*V3² / 2 = m*g*s*sinα + m*g*cosα*m*s
V3² / 2 = g*s*sinα + g*cosα*m * s
V3² = 2*g*s*sina + 2*g*cosα*m*s
V3² = 2*g*s* ( sina + cosα*m )
V3 = √ [2*g*s * ( sina + cosα*m )]

Jak wstawimy V3 do równania [2] to można obliczyć V2:
m*2*g*s* ( sinα + cosα*m ) / 2 – m*V2² / 2 = (-m*g )*m*s
m*2*g*s * ( sinα + cosα*m ) – m*V2² = 2*(-m*g )*m*s
2*g*s * ( sinα + cosα*m ) – V2² = 2*(-g )*m*s
V2² = 2*g*s * ( sinα + cosα*m ) – 2*g*m*s
V2² = 2*g*s * ( sinα + cosα*m – m )
V2  = √ [2 * g * s * ( sinα + cosα*m – m )]

Jak wstawimy V2 do równania [1] to obliczymy szukaną początkową prędkość V:
m*2*g*s * ( sinα + cosα*m – m ) / 2  – m*V² / 2 = m*g*s*sinα – m*g*cosα*m*s

m*2*g*s * ( sinα + cosα*m – m ) – m*V²  = 2*m*g*s*sinα – 2*m*g*cosα*m*s

2*g*s * ( sinα + cosα*m – m ) – V²  = 2*g*s*sinα – 2*g*cosα*m*s

V² = 2*g*s * ( sinα + cosα*m – m ) – 2*g*s*sinα + 2*g*cosα*m*s

V² = 2*g*s * ( sinα + cosα*m – m – sinα + cosα*m )
V² = 2*g*s*m * ( 2*cosα – 1 )

Czyli prędkość początkowa jaką musi mieć pudło, żeby dojechać do punktu 4 wynosi:

V = √[2*g*s*m * ( 2*cosα – 1 )]

Prawda że łatwe ?

Kratownica płaska – metoda przecięć – statyka -zadanie 28

Witam i dzisiaj zrobimy kratownicę płaską metodą przecięć. Niedawno było jedno zadanie z kratownic.

Statyka – kratownica płaska – zadanie 22

Tamto rozwiązaliśmy metodą RÓWNOWAGI WĘZŁÓW, ponieważ chodziło o obliczenie sił we WSZYSTKICH prętach. Jest kolejny sposób na kratownice – METODA PRZECIĘĆ i stosuje się ją wtedy, kiedy mamy obliczyć siłę w jednym lub kilku prętach, które znajdują się w dowolnym miejscu kratownicy. Po takim krótkim wstępie można przejść do zadania:

rozciaganie15 - Kratownica płaska - metoda przecięć - statyka -zadanie 28

Jak widać jest kratownica i jest takie pytanie

OBLICZYĆ SIŁĘ W 2 PRĘTACH OZNACZONYCH LINIĄ PRZERYWANĄ

Po pierwsze

Uwalniamy kratownicę JAKO CAŁOŚĆ od więzów, żeby obliczyć reakcje podpór.

rozciaganie16 - Kratownica płaska - metoda przecięć - statyka -zadanie 28

Od razu ważna uwaga:

NIE MUSIMY obliczać reakcji we wszystkich podporach – wystarczy obliczyć reakcję w jednej podporze – w tym przypadku najlepiej RA. W tym celu obliczamy sumę momentów względem punktu B:

MiB = RA * 3 * L + F * 2 * L + F * L = 0

Dzielimy obie strony równania przez L:

RA * 3 + F * 2 + F = 0

RA * 3 + F * 3 = 0

RA + F = 0

Reakcja w lewej podporze:

RA = (-F)

Po drugie

Na wstępie było powiedziane o METODZIE PRZECIĘĆ, a więc teraz przetniemy kratownicę przez te pręty, w których chcemy obliczyć siły.

To tak jakbyśmy ją przecinali na dwie części, ale bardzo ważne żeby przecinać przez MAKSYMALNIE 3 PRĘTY – później okaże się w praktyce dlaczego tak.

rozciaganie17 - Kratownica płaska - metoda przecięć - statyka -zadanie 28

Powyżej widzimy jedną z możliwości, jak będzie dobrze przeprowadzić linię cięcia – czerwona linia leci przez 2 pręty (w nich obliczymy siły – linia przerywana) i jeszcze jeden, który jest pod nimi.

Po trzecie

Uwalniamy od więzów tę część, która jest na lewo od czerwonej falistej linii – linii cięcia

rozciaganie18 - Kratownica płaska - metoda przecięć - statyka -zadanie 28

Powyżej widać że mamy płaski ROZBIEŻNY układ sił, czyli możemy napisać 3 równania równowagi. To dlatego chodziło o przecięcie kratownicy maksymalnie przez 3 pręty.

rozciaganie19 - Kratownica płaska - metoda przecięć - statyka -zadanie 28

Dobrze będzie zacząć od równania momentów względem punktu B (punkt przecięcia sił S2 oraz S3), ponieważ przez ten punkt przechodzą 2 niewiadome siły:

MiB = S1*L + F*L + RA*2*L = 0

S1*L + F*L + (-F)*2*L = 0

Dzielimy obie strony równania przez L:

S1 + F + (-F)*2 = 0

S1 – F = 0

Siła w pręcie nr 1:

S1 = F

Pozostała jeszcze do obliczenia siła S2 i w tym celu warto napisać sumę rzutów sił na oś y:

Piy = RA + F – S2*sin45o = 0

(-F) + F – S2*sin45o = 0

(- S2) * sin45o = 0

A więc siła w pręcie nr 2 wynosi:

S2 = 0

Jak widać dwa równania równowagi dla części kratownicy załatwiły wszystko.

Kratownica płaska – metoda równoważenia węzłów – statyka – zadanie 22

O statyce już było i to nie raz ale teraz zadanie z kratownicy płaskiej i metoda równoważenia węzłów. I na początek warto powiedzieć, co to jest kratownica:

Mówiąc prosto bierzemy kilka lub kilkanaście lub jeszcze więcej prętów i łączymy je przegubowo w taki sposób, że tworzą one sztywny element i przykładem pierwszym z brzegu niech będzie trójkąt stworzony z 3 prętów połączony przegubowo w 3 punktach.

statyka13 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Te punkty połączenia dalej będziemy nazywać WĘZŁAMI. Jasna sprawa że większość kratownic to układy prętowe znacznie bardziej skomplikowane niż taki sobie zwykły trójkąt. I teraz może takie proste zadanie:

statyka14 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Tak jak widać na rysunku powyżej mamy kratownicę zamocowaną w dwóch podporach (jednej stałej i drugiej przesuwnej) oraz obciążoną dwiema pionowymi siłami F. Autor zadania zadaje proste pytanie:

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Zrobimy to w kilku prostych krokach metodą RÓWNOWAŻENIA WĘZŁÓW.

 

Po pierwsze

 

Uwalniamy CAŁĄ kratownicę od więzów, czyli zastępujemy siłami to, co ją łączy ze światem zewnętrznym. W tym przypadku kratownica jest mocowana do podłoża dwiema podporami:

– podpora przegubowa stała – zamiast niej rysujemy 2 prostopadłe do siebie reakcje

– podpora przegubowa przesuwna – zastępujemy ją siłą prostopadłą do 2 równoległych kresek

statyka15 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Po drugie

 

Piszemy równania równowagi statycznej i teraz spójrzmy jakie widzimy siły:

RA, RBx, RBy oraz 2 siły F i co najważniejsze te siły nie zbiegają się w jednym punkcie, czyli mamy układ PŁASKI ROZBIEŻNY – a więc piszemy 3 równania równowagi (2 sumy rzutów sił i sumę momentów).

Mechanika – statyka – zaczynamy od podstaw

Sumę momentów warto obliczyć względem punktu, przez który przechodzi NAJWIĘCEJ niewiadomych – w tym przypadku będzie to punkt B – RBx oraz RBy

MiB = F * L + F * 2 * L + RA * 3 * L = 0

ponieważ w ten sposób od razu obliczymy reakcję w drugiej podporze:

F * 3 * L + RA * 3 * L = 0

F + RA = 0

która wynosi:

RA = (-F)

Następnie piszemy sumy rzutów sił na osie , z których obliczymy reakcje w podporze B:

Pix = RBx = 0

Piy = (-RA) – F – F – RBy = 0

RBy = (-(-F)) – F – F = (-F)

 

Po trzecie

 

Jak już są obliczone reakcje zewnętrzne działające na kratownicę jako całość, to rozkładamy układ ZŁOŻONY – całą kratownicę na układy PROSTE – poszczególne węzły. W tym celu warto oznaczyć każdy z węzłów literą, a każdy z prętów cyfrą. 

statyka16 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

UWALNIAMY OD WIĘZÓW każdy węzeł czyli ZASTĘPUJEMY siłami pręty, które do niego dochodzą. Na wstępie możemy zacząć od węzła A, ponieważ dochodzą do niego DWA pręty, czyli w równaniach równowagi będą DWIE niewiadome siły.

statyka17 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Jak mamy taki węzeł A uwolniony od więzów, to widać, że wszystkie siły zbiegają się w jednym punkcie, czyli mamy układ PŁASKI ZBIEŻNY – wobec tego piszemy DWA równania równowagi – sumy rzutów sił na osie. I teraz równania równowagi:

Piy = S2 * cos45o – RA = 0

Z pierwszego równania obliczamy siłę w pierwszym pręcie:

S2 * cos45º = RA

S2 = RA : cos45º = (-F) : cos45º = (-1,4*F)

Pix = S1 + S2 * sin45º = 0

S1 = (-S2) * sin45º = (-(-1,4*F)) * sin45º = F

I teraz przechodzimy do węzła C, ponieważ mając siłę w drugim pręcie będziemy mieć 2 niewiadome.

statyka18 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Czyli od teraz do samego końca wszystko będzie przebiegać analogicznie:

Pix = S3 – S2 * sin45º = 0

S3 = S2 * sin45º = (-1,4*F) * sin45º = (-F)

Piy = (-S4) – S2 * cos45º = 0

S4 = (-S2) * cos45º = (-(-1,4*F)) * cos45º = F

Analogicznie postępujemy dla pozostałych węzłów:

 

Węzeł D:

statyka19 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Piy = S4 – F + S6 * cos45º = 0

(-S4) + F = S6 * cos45º

(-F) + F = S6 * cos45º==> S6 = 0

Pix = S5 – S1 + S6 * sin45º = 0

S5 – F + 0 * sin45º = 0

S5 = F

 

Węzeł E:

statyka20 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Pix = S7 * sin45º – S5 =0

S7 * sin45º = S5

S7 = S5 : sin45º = F : sin45º = 1,4*F

Piy = S7 * cos45º + S8 = 0

S8 = (-S7) * cos45º = (-1,4*F) * cos45º = (-F)

 

Węzeł B:

statyka21 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - statyka - zadanie 22

Ostatni węzeł i tu wystarczy suma rzutów sił na oś x, bo pozostała do obliczenia jeszcze jedna siła w pręcie:

Pix = RBx – S9 – S7 * sin45º = 0

0 – S9 – 1,4 * F * sin45º = 0

S9 = (-1,4) * F * sin45º = (-F)

I w taki prosty sposób obliczyliśmy siły we wszystkich prętach metodą równoważenia węzłów.

Dynamika – energia – zadanie 21

Mamy takie oto zadanie z energii:

energia2 - Dynamika - energia  - zadanie 21

Większa masa wisi na linie, która jest na górze przełożona przez krążek i leci do mniejszej masy która leży na powierzchni. Tutaj współczynnik tarcia wynosi . autor zadaje pytanie:

JAKĄ PRĘDKOŚĆ OSIĄGNIE WIĘKSZA WISZĄCA MASA PO PRZEBYCIU DROGI H ?

 

Po pierwsze

 

To teraz ustalmy w którą stronę ten cały układ jedzie:

Nie ma mowy o żadnej prędkości na starcie (tak zwana chwila początkowa) , a więc wszystko startuje ze startu zatrzymanego.

Wisząca większa masa M pod własnym ciężarem spada w dół i ciągnie mniejszą masę, która jedzie w prawo. Ponieważ oba pudła połączono nierozciągliwą liną, to oba jadą z taką samą prędkością.

energia3 - Dynamika - energia  - zadanie 21

Po drugie

 

Jeżeli wiadomo, jak to działa, to zaznaczamy siły ZEWNĘTRZNE działające na układ. W tym przypadku są to:

– ciężar m*g działający na masę m

– nacisk N działający na masę m

– tarcie N* działające na masę m

– ciężar działający na masę M

 

Po trzecie

 

Z równoważności pracy i energii wynika że zmiana energii kinetycznej układu jest równa wykonanej pracy:

Mechanika-dynamika-jeszcze raz podstawy

Ek2 – Ek1 = L

Układ rusza ze startu zatrzymanego, a więc początkowa energia kinetyczna:

Ek1 = 0

Energia kinetyczna końcowa będzie związana z ruchem ciał posiadających masę:

Ek2 = M * V² / 2 + m * V² / 2

i tak jak napisano wcześniej obie masy, duża i mała, jadą z taką samą prędkością V.

I teraz prawa strona równania:

Pracę wykonują siły, które są RÓWNOLEGŁE do przesunięcia. W tym przypadku równoległe do przesunięcia są:

– ciężar wiszącego pudła – pudło jedzie w dół i jego ciężar też działa w dół

– tarcie działające na mniejsze pudło – pudło jedzie poziomo i tarcie też działa poziomo.

Praca równa się iloczynowi SIŁY razy PRZESUNIĘCIE, a więc prawa strona równania będzie wyglądać tak:

L = M * g * H – N * * H

Powyżej widać, że tarcie działa na takiej samej drodze H jak przesunięcie w pionie dużego pudła, ponieważ oba pudła połączono nierozciągliwą liną. Całe równanie będzie wyglądało tak:

M * V² / 2 + m * V² / 2 – 0 = M * g * H – N * * H

To teraz policzymy niewiadome:

Jak widać nie znamy prędkości V i nacisku N. Uwalniamy od więzów pudło o mniejszej masie m czyli:

energia4 - Dynamika - energia  - zadanie 21

– przykładamy ciężar m * g

– zastępujemy podłoże naciskiem N i tarciem N *

– zastępujemy linę siłą naciągu S

Kolejno piszemy sumę rzutów na oś y, ponieważ tam występuje nieznany nacisk N:

Piy = N – m*g = 0

czyli nacisk na lżejsze pudło:

N = m * g

i wstawiamy to do ogólnego równania:

M * V² / 2 + m * V² / 2 – 0 = M * g * H – m * g * * H

Mnożymy obie strony równania przez 2:

M * V² + m * V² = 2 * M * g * H – 2 * m * g * * H

i wyciągamy kwadrat prędkości przed nawias:

V² * (M+m) = 2 * M * g * H – 2 * m * g * * H

i z tego wynika szukana prędkość V :

V² * (M+m) = 2*g*H * (M – m * )

V = √ [2*g*H*(M – m*) : (M+m)]