διέρχεται από το σηµείο τοµής Ο των φορέων του βάρους w! της ράβδου και της οριζόντιας αντίδρασης A!

Σχετικά έγγραφα
i) Να δείξετε ότι: F max = (m 1 + m 2 όπου! g η επιτάχυνση της βαρύτητας.

από τον κατακόρυφο τοίχο, της οποίας ο φορέας είναι οριζόντιος και την δύναµη επα φής N!

ii) Nα υπολογιστεί η κινητική ενέργεια του συστήµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο. Δίνεται η επιτάχυνση! g της βαρύτητας.

, της οποίας το µέτρο ικανοποιεί τη σχέση:

i) Nα αποδείξετε ότι το σώµα τελικά θα ηρεµήσει ως προς το δοκάρι και να βρείτε την κοινή τους ταχύτητα στο σύστηµα αναφοράς του εδάφους.

Θεωρούµε στερεό σώµα που εκτελεί ως προς ένα αδρανειακό σύστηµα αναφοράς επίπεδη κίνηση.

(τρίτος νόµος του Νεύτωνα) και την πλάγια αντίδραση του οριζόντιου εδάφους, η οποία αναλύεται στην τριβή ολίσθησης T!

i) Nα βρεθεί η επιτάχυνση του κέντρου Κ της τροχαλίας την στιγµή t=0 αµέσως µετά την θραύση του νήµατος.

i) Nα βρείτε την επιτάχυνση του κέντρου της τροχαλίας τ 1.

ΛΥΣΗ: Έστω O η θέση ισορροπίας του σφαιριδίου. Στη θέση αυτή το σφαι ρίδιο δέχεται το βάρος του w!, τη δύναµη F

Δίνεται η ροπή αδράνειας I=mL 2 /3 της ράβδου ως προς τον άξονα περιστροφής της, η επιτάχυνση! g της βαρύτητας και ότι π 2!10.

i) Το επίπεδο της τροχαλίας είναι οριζόντιο και το έδαφος λείο.

(σχ. 1). Εφαρ µόζοντας για την µεταφορική συνιστώσα της κύλισης του δίσκου τον

Q του νήµατος που το συγκρατεί, συµφωνα δε µε τον δεύτερο νό µο κίνησης του Νεύτωνα θα ισχύει η σχέση: της τάσεως!

i) Nα δείξετε ότι, κάθε στιγµή οι ταχύτητες των δύο πιθήκων ως προς το ακίνητο έδαφος είναι ίσες.

Οµογενής σφαίρα µάζας m και ατίνας R, ισορροπεί πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο. Κάποια στιγµή ενεργεί στην σφαίρα οριζόντια ώθηση!!

ii) ii) Nα καθορίσετε το είδος της ισορροπίας της ράβδου.

της οποίας ο φορέας σχηµατί ζει γωνία φ=π/6 µε την κατακόρυφη διεύθυνση και ανακλάται µε αντίστοιχη γωνία φ=π/4.

i) τον λόγο των µαζών των δύο σφαιριδίων, ώστε αυτά µετά την κρού ση τους να φθάνουν στις αρχικές τους θέσεις και

όπου Μ η µάζα της Γης την οποία θεωρούµε σφαίρα οµογενή, G η παγκόσµια σταθερά της βαρύτητας και L!

όπου Α το πλάτος της ταλάντωσης, φ η αρχική της φάση και ω η γωνιακή της συχνότητα. Οι σχέσεις (2) εφαρµοζόµενες τη χρονική στιγµή t=0 δίνουν:

περί το κέντρο της σφαίρας, ονοµάζεται δε τριβή κυλίσεως. Tο µέτρο της τρι βής κυλίσεως είναι προφανώς ανάλογο του µέτρου της N,!

i) Nα βρείτε την ταχύτητα του κέντρου της στεφάνης αµέσως µετά την κρού ση, η οποία θεωρείται βραχείας διάρκειας.

Ένα σώµα µε µεγάλη µάζα Μ, κινείται µε σταθερή

i) Nα εκφράσετε σε συνάρτηση µε τον χρόνο την γωνιακή ταχύτητα της τροχαλίας.

ii) Να δείξετε ότι το σφαιρίδιο εκτελεί µια µη αρµονική περιοδική ταλάντωση, της οποίας να υπολογίσετε την περίοδο.

Ένα διαστηµόπλοιο µάζας M, κινείται στο διά στηµα µε σταθερή ταχύτητα V!

, σταθερής κατεύθυνσης, της οποίας το µέτρο µεταβάλλεται µε τον χρόνο t, σύµφωνα µε την σχέση:

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ

ΜΕΡΟΣ Γ! 2η οµάδα λυµένων παραδειγµάτων

, που είναι στατική τριβή µε κατεύθυνση αντίθετη της ταχύτητας του κέντρου µάζας C 1 της σφαίρας (σχήµα 1) και η δύναµη επαφής!

( ) ( ) 2 1 K = K = m 2. ! = v 2 + v 1 R + r (3) H (1) λόγω της (3) γράφεται: R - v 2. + v 1. v 2. r > 0 (4) ! v K. + v 1 )R - v 2. = v 2. - v.

i) Nα δείξετε ότι αν το σύστηµα αφεθεί ελεύθερο η τροχαλία τ 1 δεν µπορεί να κυλίεται, άλλά µόνο να ισσρροπεί ή να ολισθαίνει.

. Εάν η σφαίρα κυλίεται πάνω στο δοκάρι να βρείτε: i) την επιτάχυνση του δοκαριού και του κέντρου της σφαίρας, στο σύστηµα αναφοράς του δαπέδου και

από την άρθρωση και της δύναµης επαφής από τον τοίχο που αναλύεται στην στατική τριβη T!

i) την µέγιστη ροπή του ζεύγους δυνάµεων που επιτρέπεται να ενερ γήσει επί του κυλίνδρου, ώστε αυτός να ισορροπεί και

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΤΕΡΕΟΥ 2013

i) την ενέργεια που πρέπει να προσφερθεί στο σφαιρίδιο,

ακτινικής διεύθυνσης και στην οριακή τριβή T!"

. Αυτό σηµαίνει ότι το κέντρο µάζας κινείται ευθύγραµµα µε σταθερή επιτάχυνση a! = F!

ii) Nα βρείτε την µέγιστη γωνιακή ταχύτητα της ράβδου.

γ) το μέτρο της γωνιακής ταχύτητας του δίσκου τη στιγμή κατά την οποία έχει ξετυλιχθεί όλο το σχοινί.

τα µοναδιαία διανύσµατα των αξόνων Οx, Oy, Oz αντιστοί χως. Η αντίστοιχη στροφορµή L!

από τα σύρµατα λόγω της συµµετρίας τους ως προς την µεσοκάθετο θα δίνουν συνι σταµένη δύναµη F µε κατεύθυνση προς το Ο, που σηµαίνει ότι το σφαιρίδιο

i) το πλάτος ταλάντωσης του καροτσιού µετά την ενσωµάτωση του σφαιριδίου σ' αυτό και

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΤΕΡΕΟΥ

θα επιβρα δύνεται. Επειδή η F! /Μ και θα ισχύει η σχέση: /t!

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών Τζιόλας Χρήστος. και Α 2

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΚΑΙ ΡΟΠΕΣ

ΟΡΟΣΗΜΟ >Ι 3. δ. Ι Οι τροχοί (1) και (2) του σχήματος είναι ίδιοι. Τότε: και Ι 2

[50m/s, 2m/s, 1%, -10kgm/s, 1000N]

διέρχεται από το σηµείο Ο της ράβδου, υπό την επίδραση των βαρών m 1 από τον άξονα περιστροφής, που αναλύεται στην οριζόντια συνιστώσα!

i) Να δείξετε ότι η κίνηση του συστήµατος των δύο σφαιριδίων είναι περιοδική και να υπολογίσετε την περίοδο της.

Nα δείξετε τις εξής προτάσεις:

Μηχανική Στερεού Ασκήσεις Εμπέδωσης

Οµογενής ράβδος µάζας m και µήκους L, κρατεί ται οριζόντια ακουµπώντας σε σταθερή ακίδα που απέχει απόσταση x από το κέντρο µάζας C της ράβδου.

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού - µέρος ΙΙ Ενδεικτικές Λύσεις Κυριακή 28 Φλεβάρη 2016 Θέµα Α

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ. Άσκηση 1. (Κινητική ενέργεια λόγω περιστροφής. Έργο και ισχύς σταθερής ροπής)

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού Σώµατος

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού - µέρος Ι Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

ΨΗΦΙΑΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΒΟΗΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ» 5 o ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2017: ΘΕΜΑΤΑ

που δέχεται από την παράπλευρη επιφάνεια του κώνου, της οποίας ο φορέας είναι κάθετος στην επιφάνεια αυτή, αφού θεωρείται λεία και των δυνάµεων T

! =A'B=C!! C! = R" (1)

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού - µέρος Ι

ii) Nα βρεθεί η κινητική ενέργεια της σφαίρας, όταν το δοκάρι έχει µετατοπιστεί κατά S ως προς το έδαφος.

6ο Πρόχειρο Τεστ Γ Τάξης Λυκείου Θεµελιώδης Νόµος Στροφικής Κίνησης Σύνολο Σελίδων: πέντε (5) - ιάρκεια Εξέτασης: 90 min Βαθµολογία % Ονοµατεπώνυµο:

i) Nά δείξετε ότι το νήµα θα χαλαρώσει και ότι το σφαιρίδιο θα συγκρουσθεί µε την οροφή.

[1kgm 2, 5m/s, 3,2cm, 8rad/s][1kgm 2, 5m/s, 3,2cm, 8rad/s]

) ω ω. L λίγο πριν. . Nα βρεθούν:

γ) το μέτρο της γωνιακής ταχύτητας του δίσκου τη στιγμή κατά την οποία έχει ξετυλιχθεί όλο το σχοινί.

ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π Γ ΛΥΚΕΙΟΥ 22 / 04 / 2018

6ο ιαγώνισµα - Μηχανική Στερεού Σώµατος Ι. Θέµα Α

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ. Δίνεται ότι η ροπή αδράνειας του δίσκου ως προς τον άξονα Κ είναι Ι= M R

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού - µέρος ΙΙ

% ] Βαγγέλης Δημητριάδης 4 ο ΓΕΛ Ζωγράφου

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΤΗ ΣΤΡΟΦΟΡΜΗ ΚΑΙ ΣΤΗ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΣΤΡΟΦΟΡΜΗΣ. Η στροφορμή ενός στερεού σώματος είναι μηδενική, όταν το σώμα δεν περιστρέφεται.

ΑΣΚΗΣΗ 5.1 Το διάνυσμα θέσης ενός σώματος μάζας m=0,5kgr δίνεται από τη σχέση: 3 j οπότε το μέτρο της ταχύτητας θα είναι:

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ. Α5. α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Λάθος ε. Σωστό

1. Για το σύστηµα που παριστάνεται στο σχήµα θεωρώντας ότι τα νήµατα είναι αβαρή και µη εκτατά, τις τροχαλίες αµελητέας µάζας και. = (x σε μέτρα).

ΕΧΕΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΘΕΙ ΑΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑ ΤΥΠΟ ΓΙΑ ΔΙΕΥΚΟΛΥΝΣΗ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΣΑΣ ΚΑΛΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ ΣΤΗ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΣΑΣ ΚΙ 2014

ΑΡΧΗ 1ης ΣΕΛΙΔΑΣ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΑΞΗ : Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ : ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2017 ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙΔΩΝ : 6

Τίτλος Κεφαλαίου: Στερεό σώµα. Ασκήσεις που δόθηκαν στις εξετάσεις των Πανελληνίων ως. Γεώργιος Μακεδών, Φυσικός Ρ/Η Σελίδα 1

mu R mu = = =. R Γενική περίπτωση ανακύκλωσης

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού Σώµατος Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

Eάν L 1, L 2 είναι τα αντίστοιχα φυσικά µήκη των ελατηρίων ε 1 και ε 2 τότε για την απόσταση ΑΒ των σηµείων στήριξης των ελατηρίων θα έχουµε:

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού Σώµατος

Β. Συµπληρώστε τα κενά των παρακάτω προτάσεων

όπως φαίνεται στο σχήµα (1).

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Μηχανική Στερεού Σώµατος

ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ 1. ΘΕΜΑ Α Στις παρακάτω ερωτήσεις Α1-Α.5 να σημειώσετε την σωστή απάντηση

ΟΡΟΣΗΜΟ. Ισχύει: α. L 1. και Κ 1 β. 2L 1 =2L 2 =L 2. και 2Κ 1 γ. L 1

( ) ω ( ) = 0. Aπό τις σχέσεις (2) προκύπτει ή ότι το διάνυσµα v K. είναι κάθετο στα διανύσµα τα r A

Ασκήσεις στροφικής κίνησης στερεού σώµατος

i) τον λόγο των µαζών των δύο σφαιριδίων, ώστε αυτά µετά την κρού ση τους να φθάνουν στις αρχικές τους θέσεις και

ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

i) Nα βρεθεί η επιτάχυνση του κέντρου του δακτυλιδιού. Σχήµα 1 Σχήµα 2 L C

από το νήµα που περιβάλλει το εσωτερικό της αυλάκι, ίση µε το βάρος m g! του σώµατος Σ, την δύναµη επαφής F!

ΕΧΕΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΘΕΙ ΑΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑ ΤΥΠΟ ΓΙΑ ΔΙΕΥΚΟΛΥΝΣΗ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΣΑΣ ΚΑΛΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ ΣΤΗ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΣΑΣ ΚΙ 2014

που δέχονται οι τροχοί αυτοί αποτελούν κινητήριες δυνάµεις για το αυτοκί νητο, δηλαδή είναι δυνάµεις οµόρροπες προς την κίνησή του, ένω οι τριβές T!

Transcript:

Η οµογενής ράβδος ΑΒ του σχήµατος έχει βά ρος w και στηρίζεται διά του άκρου της Α σε τραχύ κεκλιµένο επί πεδο γωνίας κλίσεως φ ως προς τον ορίζοντα, ενώ το άλλο της άκρο Β ακουµπάει σε λείο κατακόρυφο τοίχο. Εάν ο συντελεστής οριακής τριβής µεταξύ της ράβδου και του κεκλιµένου επιπέδου είναι n, να βρεθεί η γωνία µεταξύ τοίχου και ράβδου, για την οποία επίκειται η ολίσθηση της ράβδου. Ποια είναι τα αντίστοιχα µέτρα των αντιδράσεων που δέχεται η ράβδος στις άκρες της; ΛΥΣΗ: Εξετάζουµε τη ράβδο ΑΒ, όταν επίκειται η ολίσθησή της στον κατακόρυφο τοίχο και στο οριζόντιο επίπεδο. Τη στιγµή αυτή ο φορέας της δύναµης R που δέχεται από το κεκλιµένο επίπεδο σχηµατίζει µε την κάθετη σ αυτό διεύθυνση γωνία θ για την οποία ισχύει: = T/N = nn/n = n (1) όπου T η οριακή τριβή που εξασκεί το κεκλιµένο επίπεδο στην ράβδο και N η αντίστοιχη κάθετη αντίδραση του επιπέδου. Η γωνία θ ονοµάζεται και γω νία τριβής µεταξύ της ράβδου και του κεκλιµένου επιπέδου. Εξάλλου ο φορέ Σχήµα 1 ας της R διέρχεται από το σηµείο τοµής Ο των φορέων του βάρους w της ράβδου και της οριζόντιας αντίδρασης A του κατακόρυφου τοίχου. Όµως στην περίπτωση αυτή η ράβδος ισορροπεί οριακά, οπότε θα ισχύουν οι σχέ σεις:

R µ (/) = F µ[- (- $)] = w µ[ /+ (- $)] R = F µ ( - ) = w $%&(- ) R = w/($- %) ( ) F = w&'($- %) * () Eξάλλου η ισορροπία της ράβδου επιβάλλει και τη σχέση: (A ) = 0 Fµ (/ - ) - wµ / = 0 () F$ = w%µ$ w(- $)%&'( = w)µ( = ($- %) µε εφθ=n P.M. fysikos O λαιµός µιας τροχαλίας, µάζας m, εφάπτεται κεκλιµένου επιπέδου γωνίας κλίσεως φ, µε το οποίο η τροχαλία παρουσιάζει συντελεστή οριακής τριβής n. (σχήµα ). H τροχαλία συγκρατείται µε τη βοήθεια νήµατος, το οποίο εφάπτεται του λαι µού της και του οποίου η διεύθυνση µπορεί να µεταβάλλεται. i) Nα καθορίσετε την διεύθυνση του νήµατος για την οποία η τάση του παίρνει την ελάχιστη τιµή, ώστε η τροχαλία να ηρεµεί και να υπολογίσετε την ελάχιστη αυτή τιµή. ii) Nα βρείτε την συνθήκη ώστε, για την ελάχιστη αυτή τιµή της τάσεως να είναι δυνατή η ισορροπία της τροχαλίας. Δίνεται η επιτά χυνση g της βαρύτητας. ΛΥΣΗ: i) Ας δεχθούµε ότι η τροχαλία ηρεµεί, όταν το νήµα σχηµατίζει γωνία θ µε την διεύθυνση του κεκλιµένου επιπέδου. Η τροχαλία δέχεται το βάρος της w, που αναλύεται στην παράλληλη προς το κεκλιµένο επίπεδο συνιστώσα w x και στην κάθετη προς αυτό συνιστώσα w y, την δύναµη επαφής από το κεκλι µένο επίπεδο που αναλύεται στην στατική τριβή T και στην κάθετη αντίδραση N και τέλος την δύναµη F από το νήµα (τάση του νήµατος) που αναλύεται στην παράλληλη προς το κεκλιµένο επίπεδο συνιστώσα F x και στην κάθετη προς αυτό συνιστώσα F y. Λόγω της ισορροπίας της τροχαλίας η συνολική ροπή, περί το κέντρο µάζας της C, όλων των δυνάµεων που δέχεται πρέπει να είναι µηδενική, δηλαδή πρέπει να ισχύει: (C) = 0 FR - TR = 0 F = T (1) H σχέση (1) εγγυάται ότι η φορά της στατικής τριβής T είναι σωστή. Ακόµη η ισορροπία της τροχαλίας εξασφαλίζει ότι η συνισταµένη των δυνάµεων κατά τις διευθύνσεις των ορθογώνιων αξόνων Cx και Cy είναι µηδενική, δη λαδή ισχύουν οι σχέσεις:

F (x) = 0 F (y) = 0$ F - w + T = 0 x x F y - w y + N = 0 F$ + T - mg%µ& = 0 ' ( F%µ$ + N - mg& = 0) () Σχήµα H πρώτη εκ των (), λόγω της (1) δίνει: F$ + F - mg%µ& = 0 F(1 + $) = mg%µ& F = mgµ 1 + $%& Aπό την (3) προκύπτει ότι το µέτρο της F γίνεται ελάχιστο, όταν θ=0 δηλα δή όταν το νήµα είναι παράλληλο προς το κεκλιµένο επίπεδο. Η ελάχιστη αυτή τιµή είναι: (3) F min = mgµ 1 + 1 = mgµ (4) ii) Επειδή η τριβή είναι στατική, το µέτρο της δεσµεύεται µε τη σχέση: (1) T nn F nn η οποία, όταν η τάση του νήµατος έχει το ελάχιστο µέτρο της, γράφεται: mgµ / nn mgµ nn (5) Εξάλλου από την δεύτερη εκ των σχέσεων () παίρνουµε: N = mg$ - F min %µ0 = mg$ οπότε η (5) γράφεται: mgµ nmg$%& $ n (6)

H (6) αποτελεί την ζητούµενη σχέση. P.M. fysikos Θεωρούµε σύστηµα αποτελούµενο από ιδανικό ελατήριο σταθεράς k και φυσικού µήκους και από οµογενή ράβ δο µήκους και µάζας m, η οποία είναι αρθρωµένη στο άκρο της Ο, που της επιτρέπει να στρεφεται περί οριζοντιο άξονα σε κατα κόρυφο επίπεδο. Το σύστηµα κρατείται ακίνητο σε θέση όπου η ράβδος είναι οριζόντια και το ελατήριο τεντωµένο υπό κλίση, όπως φαίνεται στο σχήµα (3) και κάποια στιγµή αφήνεται ελεύθερο. i) Να βρεθεί η ταχύτητα του κέντρου µάζας της ράβδου τη στιγµή που αυτή γίνεται κατακόρυφη, εάν στην αντίστοιχη θέση το ελατή ριο έχει το φυσικό του µήκος. ii) Nα βρεθεί η δύναµη που δέχεται η ράβδος από την άρθρωση στην προηγούµενη θέση του συστήµατος. Δίνεται η επιτάχυνση g της βαρύτητας και η ροπή αδράνειας Ι Ο =m /3 ως προς άξονα που διέρχεται από το άκρο της Ο και είναι κάθετος στην ράβδο. ΛΥΣΗ: i) Εφαρµόζοντας για το σύστηµα την αρχή διατήρησης της µηχα νικής ενέργειας µεταξύ της αρχικής του θέσεως, όπου η ραβδος είναι οριζόν τια και της θέσεως όπου αυτή γίνεται κατακόρυφη, παίρνουµε τη σχέση: U + K = U $%& + K $%& 0 + k + 0 = mg + 0 + I O k = mg + m 3 (1) Σχήµα 4 Σχήµα 3 όπου γωνιακή ταχύτητα της ράβδου την στιγµή που γίνεται κατακόρυφη και Δ η επιµήκυνση του ελατηρίου από τη φυσική του κατάσταση στην αρ χική θέση του συστήµατος. Όµως ισχύει και η σχέση: = () + - = 5 - =( 5-1)

οπότε η (1) γράφεται: k ( 5-1) = mg + m / 3 3k(5 + 1-5) = 3mg + m m = 3k(6-5) - 3mg = 6k m (3-5)- 3g = 6k m (3-5)- 3g () Το µέτρο της τάχύτητας v C του κέντρου της ράβδου τη στιγµή που γίνεται κατακό ρυφη, δίνεται από τη σχέση: v C = () v C = 6k m (3-5)- 3g (3) To πρόβληµα έχει λύση εφ όσον ισχύει k(3-5 )>mg/ ii) Όταν η ράβδος είναι κατακόρυφη το κέντρο µάζας της C έχει µηδενική επιτρόχια επιτάχυνση, διότι στην θέση αυτή το µέτρο της ταχύτητας του κέντρου µάζας έχει λάβει την µέγιστη τιµή του. Αυτό σηµαίνει ότι συνιστα µένη όλων των δυνάµεων που δέχεται η ράβδος στην θέση αυτή, όταν αναχ θούν στο κέντρο µάζας, αποτελεί κεντροµόλο δύναµη. Για να συµβαίνει αυτό πρέπει η δύναµη F που δέχεται η ράβδος από την άρθρωση να έχει φορέα την ράβδο, ώστε µαζί µε το βάρος m g της ράβδου να δίνουν κεντροµόλο δύναµη. Έτσι έαν F είναι η αλγεβρική τιµή της F θα ισχύει η σχέση: mg + F = m v (3) C / mg+f=m 4 6k m (3-5)- 3g $ & % mg+f=m 6k m (3-5) - 3g $ & % F=3k(3-5)- 5mg mg+f=3k(3-5)- 3mg (4) Eάν 3k(3-5 )>5mg/, θα είναι και k(3-5 )>mg/. Τότε F>0, που σηµαί νει ότι η F είναι οµόρροπη προς το βάρος m g της ράβδου. Eάν mg/<k(3-5 )<5mg/6, τότε F<0, δηλαδή η F είναι αντίρροπη προς το βάρος m g της ράβδου. P.M. fysikos Λεπτή οµογενής ράβδος µάζας M και µήκους, µπορεί να περιστρέφεται σε κατακόρυφο επίπεδο περί οριζόντιο

άξονα που διέρχεται από το ένα άκρο της Α. Aρχικά η ράβδος ισορ ροπεί ευσταθώς και κάποια στιγµή προσκρούει στο κέντρο της µικ ρό βλήµα µάζας m, κινούµενο οριζοντίως στο επίπεδο κινήσεως της ράβδου και εξέρχεται µε ταχύτητα ίση µε το µισό της ταχύτη τας προσκρούσεώς του. i) Nα βρεθεί η ταχύτητα προσκρούσεως του βλήµατος, αν η µέγιστη εκτροπή της ράβδου από την κατακόρυφη διεύθυνση είναι φ=π/3. ii) Nα βρεθεί η δύναµη που εξασκεί στην ράβδο ο άξονας περιστρο φής της στην θέση της µέγιστης εκτροπή της. Δίνεται η επιτάχυνση g της βαρύτητας και η ροπή αδράνειας Ι=Μ /3 της ράβδου, ως προς άξονα που διέρχεται από το ένα άκρο της και είναι κάθετος προς αυτήν. ΛΥΣΗ: i) Kατά τον πολύ µικρό χρόνο που διαρκεί το πέρασµα του βλήµα τος µέσα από τη ράβδο, η στροφορµή του συστήµατος ράβδος-βλήµα περί τον άξονα περιστροφής της ράβδου διατηρείται σταθερή, δηλαδή θα ισχύει η σχέση: mv 0 + 0 = mv 0 + I mv 0 = M 4 3 mv 0 4 = M 3 (1) Σχήµα 5 όπου v 0 η ταχύτητα προσκρούσεως του βλήµατος και η γωνιακή ταχύτη τα περιστροφής της ράβδου, αµέσως µετά το πέρασµα του βλήµατος, δηλαδή κατά την έναρξη της περιστροφικής της κίνησης. Eφαρµόζοντας για την περιστροφική κίνηση της ράβδου το θεώρηµα διατήρησης της µηχανικής ενέργειας, παίρνουµε τη σχέση: 0 + I = Mg(1 -$%) + 0 M 6 = Mg(1 - $/3) = 3g/ = 3g/ () Συνδυάζοντας τις σχέσεις (1) και () έχουµε: mv 0 4 = M 3 3g v 0 = M m g 3 (3)

ii) Στην θέση της µέγιστης εκτροπής της ράβδου (φ=π/3) το κέντρο µάζας της έχει µηδενική ταχύτητα, που σηµαίνει ότι µηδενική είναι η κεντροµόλος επιτάχυνσή του, δηλαδή στην θέση αυτή η επιτάχυνση a του κέντρου µάζας είναι επιτρόχιος επιτάχυνση. Εάν ' είναι η αντίστοιχη γωνιακή επιτάχυν ση της ράβδου, σύµφωνα µε τον θεµελιώδη νόµο της στροφικής κίνησης θα ισχύει: I'= Mg µ M 3 '= Mg 3 '= 3 3g 4 (4) Σχήµα 6 To µέτρο της επιτάχυνσης a είναι: a = ' (4) a = 3 3g 4 = 3 3g 8 Εξάλλου εάν a x, a y είναι η οριζόντια και η κατακόρυφη συνιστώσα αντιστοί χως της a, τότε για τις αλγεβρικές τους τιµές θα ισχύουν οι σχέσεις: (5) a x = -a$ a y = a%µ$ & ' ( (5) a x = -(3 3g/8)(1/ ) a y = (3 3g/8)( 3 / ) $ a x= -3 3g/16 a y = 9g/16 $ (6) Eφαρµόζοντας για το κέντρο µάζας της ράβδου στην θεωρούµενη θέση τον δεύτερο νόµο κίνησης του Νεύτωνα, κατά τις διευθύνσεις Αx και Ay, παίρ νουµε τις σχέσεις: Ma x = F x Ma y = Mg + F y F x= Ma x F y = Ma y - Mg (6) F x = -3 3Mg/16 F y = -7Mg/16 $ (7) όπου F x, F y οι αλγεβρικές τιµές της οριζόντιας και της κατακόρυφης συνι στώσας αντιστοιχως της ζητούµενης δύναµης F. P.M. fysikos

Μια κοίλη σφαίρα µε λεπτό τοίχωµα, µάζας m και ακτίνας R και ένας κύβος ακµής R και µάζας λm, όπου λ αδιάστατη θετική ποσότητα, κινούνται πάνω σε κεκλιµένο επίπεδο γωνίας κλίσεως φ, ώστε τα δύο σώµατα συνεχώς να εφάπτονται. Η σφαίρα προπορεύεται του κύβου, η δε κάθετη ευθεία επί την έδρα του κύβου στο σηµείο επαφής µε την σφαίρα διέρχεται από τα κέντρα µάζας των δύο σωµάτων (σχήµα 7). Η επαφή του κύβου µε το κεκλιµένο επίπεδο και µε την σφαίρα είναι λεία, ενώ µεταξύ σφαίρας και κεκλιµένου επιπέδου υπάρχει τριβή, µε συντελεστή οριακής τριβής n. Εάν η σφαίρα κυλίεται πάνω στο κεκλιµένο επί πεδο, να δείξετε την σχέση: < n( + $) 1 + $ ΛΥΣΗ: Ας δεχθούµε ότι η σφαίρα κυλίεται πάνω στο κεκλιµένο επίπεδο, που σηµαίνει ότι η περιστροφή της περί το κέντρο µάζας της C 1 είναι αριστερόστροφη. Έτσι είναι δυνατός ο µηδενισµός της ταχύτητας του σηµεί ου επαφής της µε το κεκλιµένο επίπεδο στο σύστηµα αναφοράς του επιπέ δου αυτού. Κατά την κύλιση της σφαίρας αυτή δέχεται το βάρος της w, που αναλύεται στην παράλληλη προς το κεκλιµένο επίπεδο συνιστώσα w x και στην κάθετη προς αυτό συνιστώσα w y, την δύναµη επαφής από το κεκλι µένο επίπεδο που αναλύεται στην στατική τριβή T 1 και την κάθετη αντίδρα Σχήµα 7 ση N 1 και τέλος την δύναµη επαφής N από τον κύβο, της οποίας ο φορέας ως κάθετος στην έδρα επαφής διέρχεται από το κέντρο της σφαίρας. Eφαρµό ζοντας για την µεταφορική κίνηση της σφαίρας τον δεύτερο νόµο κίνησης του Νεύτωνα παίρνουµε την σχέση: w x + N - T 1 = ma C mgµ + N - T 1 = ma C (1) όπου a C η επιτάχυνση του κέντρου µάζας της σφαίρας. Εξάλλου, εφαρµό ζοντας για την περιστροφή της σφαίρας περί το κέντρο της τον θεµελιώδη νόµο της στροφικής κίνησης παίρνουµε τη σχέση: I'= T 1 R mr '= T 1 R mr'= T 1 ()

όπου ' η γωνιακή επιτάχυνση της σφαίρας. Όµως λόγω της κυλίσεως της σφαίρας ισχύει a C =ω R, οπότε η () γράφεται: T 1 = ma C (3) Συνδυάζοντας τις σχέσεις (1) και (3) έχουµε: mgµ + N - T 1 = T 1 mgµ + N = T 1 (4) Eξετάζοντας τον κύβο διαπιστώνουµε ότι αυτός εκτελεί µεταφορική κίνηση, υπό την επίδραση του βάρους του W, που αναλύεται στην παράλληλη προς το κεκλιµένο επίπεδο συνιστώσα W x και στην κάθετη προς αυτό συνιστώσα W y, την δύναµη επαφής N από το κεκλιµένο επίπεδο που έχει φορέα κάθε το σ αυτό και τέλος την δύναµη επαφής από την σφαίρα, η ποία σύµφωνα µε τον τρίτο νόµο του Νεύτωνα είναι ίση µε - N. Στο σηµείο αυτό πρέπει να Σχήµα 8 παρατηρήσουµε ότι ο φορέας της δύναµης N διέρχεται από το κέντρο µά ζας C του κύβου, ώστε η συνολική ροπή όλων των δυνάµεων περί το κέν τρο µάζας να είναι µηδενική, όπως απαιτεί η µεταφορική κίνηση του κύβου. Εφαρµόζοντας για τον κύβο τον δεύτερο νόµο κίνησης του Νεύτωνα έχουµε: (3) W x - N = ma C mgµ - N = ma C mgµ - N = T 1 N = mgµ - T 1 (5) Συνδυάζοντας τις (4) και (5) παίρνουµε: mgµ + mgµ - T 1 = T 1 mgµ(1 + ) = T 1 ( + ) T 1 = mgµ(1 + )/ + (6) Eπειδή η τριβή T 1 είναι στατική ισχύει: (6) T 1 < nn 1 T 1 < nmg$ mgµ (1+)/ + <nmg$%& µ(1 + ) < n( + )$%& µ /$% < n( + &)/1 + &

n( + $) < 1 + $ P.M. fysikos Κυκλική στεφάνη ακτίνας R και µάζας m, εκτο ξεύεται σε τραχύ οριζόντιο έδαφος κατά τέτοιο τρόπο, ώστε την στιγµή που έρχεται σ επαφή µε το έδαφος να έχει µεταφορική τα χύτητα v 0 παράλληλη προς αυτό και γωνιακή ταχύτητα 0 περι το κέντρο της, κάθετη στο επίπεδο της στεφάνης. Εάν τα διανύσµατα v 0, 0 ικανοποιούν τη σχέση: v 0 = ( 0 r A )/ 5 όπου r A το διάνυσµα θέσεως του σηµείου επαφής Α της στεφάνης µε το έδαφος, ως προς το κέντρο της C, να δείξετε τα εξής: i) υπάρχει χρονική στιγµή κατά την οποία αντιστρέφεται η µεταφο ρική κίνηση της στεφάνης, ii) η στεφάνη τελικώς θα κυλίεται ισοταχώς και iii) η τελική κινητική ενέργεια της στεφάνης είναι K = 9mv 0 /16 ΛΥΣΗ: i) Η σχέση (α) δηλώνει ότι, αν η φορά της µεταφορικής ταχύτητας v 0 είναι αυτή που φαίνεται στο σχήµα (9), τότε η φορά της γωνιακής ταχύ τητας 0 είναι προς τον αναγνώστη (κανόνας του δεξιού χεριού), τα δε µέτρα των διανυσµάτων v 0, 0 ικανοποιούν τη σχέση: v 0 = 0 R/5 v 0 < 0 R (1) Eπειδή κατά τη στιγµή που η στεφάνη έρχεται σ επαφή µε το οριζόντιο έδαφος το σηµείο επαφής A έχει, λόγω µεταφορικής κίνησης και λόγω περιστροφικής κίνησης, οµόρροπες ταχύτητες, η στεφάνη θα ολισθαίνει κατά την φορά της v 0 µε αποτέλεσµα η τριβή T από το έδαφος να είναι τριβή (α) Σχήµα 9 Σχήµα 10 ολίσθησης, η δε φορά της είναι αντίρροπη της v 0 (σχήµα 10). Έτσι υπό την επίδραση της τριβής η µεταφορική κίνηση της στεφάνης γίνεται επιβραδυνό

µενη, η δε επιβράδυνση a C του κέντρου µάζας της στεφάνης, σύµφωνα µε τον δεύτερο νόµο του Nεύτωνα, θα έχει µέτρο που ικανοποιεί τη σχέση: T = ma C nn = ma C nmg = ma C a C = ng () όπου m η µάζα της στεφάνης και N η κάθετη αντίδραση από το οριζόντιο έδαφος. Aπό την () προκύπτει ότι, η επιβράδυνση a C είναι σταθερή, δηλαδή η µεταφορική κίνηση της στεφάνης είναι οµαλά επιβραδυνόµενη, οπότε το µέτρο της ταχύτητας του κέντρου µάζας της, ύστερα από χρόνο t αφότου ήλθε σ επαφή µε το οριζόντιο έδαφος, θα δίνεται από την σχέση: () v C = v 0 - a C t v C = v 0 - ngt (3) Eξάλλου, υπό την επίδραση της ροπής της T περί το κέντρο µάζας της στε φάνης, η περιστροφική της κίνηση είναι επιβραδυνόµενη µε γωνιακή επιβρά δυνση ', της οποίας το µέτρο, σύµφωνα µε το θεµελιώδη νόµο της στρο φικής κίνησης δίνεται από τη σχέση: TR = Iω nmgr = mr ω ω = ng/r (4) δηλαδή η ' είναι σταθερή, που σηµαίνει η περιστροφική κίνηση της στεφά νης είναι οµαλά επιβραδυνόµενη. Έτσι το µέτρο της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής της κατά τη χρονική στιγµή t θα είναι: (3) ω = ω 0 - ω t ω = ω 0 - ngt/r (5) Aπό τη (3) προκύπτει ότι, η ταχύτητα v C µηδενίζεται κατά τη χρονική στιγ µή t 1, για την οποία ισχύει: 0 = v 0 - ngt 1 t 1 = v 0 /ng (6) Σχήµα 11 Σχήµα 1 ενώ από την (5) προκύπτει ότι, η µηδενίζεται κατά τη χρονική στιγµή t για την οποία ισχύει: 0 = ω 0 - ngt /R t = ω 0 R/ng (7) Eπειδή ισχύει v 0 <Rω 0 θα είναι t 1 <t, δηλαδή θα µηδενιστεί πρώτη η µετα

φορική ταχύτητα της στεφάνης και την στιγµή t 1 το σηµείο επαφής A θα έχει ταχύτητα v * µε µέτρο: (6) v * = R( 0 - ngt 1 / R) = R 0 - ngt 1 v * = 5v 0 / - v 0 = 3v 0 / (8) που σηµαίνει ότι, η τριβή T εξακολουθεί να είναι τριβή ολίσθησης µε φορά ως και προηγουµένως, προκαλεί δε αναστροφή της µεταφορικής κίνησης της στεφάνης, η οποία τώρα είναι επιταχυνόµενη µε επιτάχυνση µέτρου ng, ενώ η ροπή της T περί το κέντρο µάζας της στεφάνης συνεχίζει να επιβραδύνει την περιστροφική κίνηση αυτής µε γωνιακή επιβράδυνση µέτρου ng/r. Έτσι το σηµείο επαφής A θα έχει σ αυτό το στάδιο κίνησης της στεφάνης δύο αντίρροπες ταχύτητες v A,µ και v A,, εκ των οποίων η v A,µ θα οφείλεται στην µεταφορική κίνηση της στεφάνης και η v A, στην περιστροφική της κίνηση, τα δε µέτρα τους θα ικανοποιούν τις σχέσεις: v A,µ = ngt v A, = v * - ngtr/r $ (8) v A,µ = ngt v A, = 3v 0 /- ngt $ (9) Aπό τις σχέσεις (9) παρατηρούµε ότι, υπάρχει χρονική στιγµή τ για την οποία ισχύει: v A,µ = v A, ng = 3v 0 /- ng ng = 3v 0 / = 3v 0 /4ng (10) Tην χρονική αυτή στιγµή τ µηδενίζεται η ταχύτητα του σηµείου επαφής A, οπότε η στεφάνη αρχίζει να κυλίεται στο οριζόντιο έδαφος. Eξάλλου τη στιγµή αυτή καµιά εξωτερική δύναµη δεν εξαναγκάζει τη στεφάνη προς ολίσθηση, οπότε η τριβή T µηδενίζεται µε αποτέλεσµα η κύλιση της στεφά νης στο οριζόντιο έδαφος να είναι οµαλή µε ταχύτητα µεταφορικής κίνησης v, η οποία είναι αντίρροπη της v 0, το δε µέτρο της είναι: v = ng (10) v = 3ngv 0 /4ng = 3v 0 /4 (11) iii) H τελική κινητική ενέργεια Κ τ της στεφάνης υπολογίζεται από την σχέ ση: K = mv + mr = mv + mv (11) mv = mv K = 9mv 0 16 P.M. fysikos Οµογενής ράβδος AB µάζας Μ και µήκους, µπορεί να στρέφεται εκτός του πεδίου βαρύτητας της Γης περί σταθερό οριζόντιο άξονα που διέρχεται από το µέσο της O. Στο ένα της άκρο Α έχει προσαρµοσθεί µικρός σωλήνας µάζας m που διαπερνά την ράβδο και υπό κειται σε δύναµη δεσµού µεγιστης τιµής Τ 0, η οποία ενεργεί παράλληλα προς τη ράβδο. H ράβδος

είναι οριζόντια και κάποια στιγµή στο άλλο άκρο της Β προσπίπτει κατακόρυφα µε ταχύτητα v 0 ένα σφαιρίδιο πυλού µάζας m, το οποίο συγκρούεται πλαστικά µε τη ράβδο. Nα βρείτε την συνθήκη, ώστε µετά την κρούση ο σωλήνας να ηρεµεί σε σχέση µε την ράβ δο. Δίνεται ότι, η ροπή αδράνειας της ράβδου ως προς τον άξονα περιστροφής της είναι I Ο =M /1. ΛΥΣΗ: Aν δεχθούµε ότι µετά την κρούση του σφαιριδίου µε την ράβδο ο σωλήνας ηρεµεί ως προς τη ράβδο, τότε κάθε στιγµή η γραµµική του ταχύ τητα θα είναι ίδια µε την ταχύτητα του άκρου Α της ράβδου. Όµως κατά τον πολύ µικρό χρόνο Δt (Δt 0) της πλαστικής κρούσεως της ράβδου µε το σφαιρίδιο η στροφορµή του συστήµατος ράβδος-σωλήνας-σφαιρίδιο, περί τον άξονα περιστροφής του διατηρείται σταθερή, διότι η αντίστοιχη συνολική ροπή των εξωτερικών δυνάµεων που δέχεται το σύστηµα είναι µηδενική, δη λαδή ισχύει η σχέση: λίγο πριν = αµέσως µετά λίγο πριν = αµέσως µετά mv 0 = I O + m 4 mv 0 = M 1 + m % $ ' & 6mv 0 = (M + 6m) = 6mv 0 (M + 6m) (1) Σχήµα 13 όπου η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του συστήµατος αµέσως µετά την κρούση. Στην συνέχεια η συνολική ροπή των εξωτερικών δυνάµεων εξακο λουθεί να είναι µηδενική, που σηµαίνει ότι το σύστηµα θα περιστρέφεται µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ίση µε, δηλαδή ο σωλήνας εκτελεί οµαλή κυκ λική κίνηση κέντρου Ο και ακτίνας /. Kατά την κίνηση αυτή η δύναµη δεσµού T που δέχεται ο σωλήνας από τα τοιχώµατα της ράβδου αποτελεί για τον σωλήνα κεντροµόλο δύναµη, δηλαδή ισχύει η σχέση: T = m (1) T = m 6mv 0 $ (M + 6m) & % () Όµως τα δεδοµένα του προβλήµατος εξασφαλίζουν ότι Τ Τ 0, οπότε η () παίρνει την µορφή: m 6mv 0 $ (M + 6m) & % ' T 0 6mv 0 (M + 6m) T 0 m

v 0 T 0 (M + 6m) m 6m (3) Η σχέση (3) αποτελεί την ζητούµενη συνθήκη. P.M. fysikos