A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.Holics László I. kategória 1. feladat. Vízszintes asztalra hosszúságú, tömegű homogén lécet fektetünk. A léc egyik végéhez a lécre merőleges helyzetű, csigán átvetett fonalat erősítünk, amelyre tömegű nehezéket akasztunk. A csiga tömege és a súrlódás mindenhol elhanyagolható.
1. ábra A léc melyik pontjának nem lesz gyorsulása a nehezék elengedésének pillanatában?
2. ábra Milyen tömegaránynál lesz a léc középpontjának gyorsulása maximális a nehezék elengedésének pillanatában? Mekkora ez a gyorsulás?
Megoldás. A középpont gyorsulását -val, a kerületi pont gyorsulását -gyel, a szöggyorsulást -val jelölve a kezdeti pillanatban a következő összefüggések érvényesek: | | Az egyenletrendszer megoldásából
3. ábra A középpont túlsó oldalán lévő pontok tangenciális gyorsulása hátrafelé irányul. A középponttól távolságra lévő pontnak akkor nincs gyorsulása, ha a tangenciális gyorsulás egyenlő nagyságú a középpont gyorsulásával: A középpont korábban kiszámított gyorsulása esetén a legnagyobb, nevezetesen
4. ábra 2. feladat. Egy oldalú, elhanyagolható vastagságú, nagy, négyzetes szigetelő lemez töltéssel egyenletesen fel van töltve. Legyen a lemez síkja az ‐ sík! Egy sugarú, töltéssel egyenletesen töltött vékonyfalú, belül üres szigetelő gömb középpontja a síkkal szemben a pontban helyezkedik el. Számítsuk ki az elektromos térerősséget a gömb belső pontjaiban és a pontban! Legyen és . Az eredményt , és az dielektromos állandó kifejezéseként adjuk meg!
Megoldás. A lemeztől származó térerősség a Gauss-törvény alapján | | A feltöltött gömb által létrehozott elektromos mező a gömb belsejében nulla, rajta kívül pedig olyan, mintha egy nagyságú ponttöltés lenne a gömb középpontjában (Gauss-törvény). A gömb belső pontjaiban az eredő térerősség: | |
5. ábra A gömbön kívül a kérdéses pontban az eredő térerősség: | | Ez a vektor nagyságú, és a negatív tengellyel -os szöget zár be.
3. feladat. Egy merev, téglalap alakú vezető hurok síkjában a hosszabbik oldallal párhuzamosan nagyon hosszú, erősségű áramot szállító egyenes vezeték helyezkedik el. A téglalap oldalai , , a benne folyó áram erőssége . Az egyenes vezeték a huroktól távolságra van. Határozzuk meg a keretre ható eredő erő irányát és nagyságát!
6. ábra Ez az elrendezés használatos az ún. mágneses lebegtetésű vonat megvalósításánál. Sok-sok függőleges síkú hurok (egy négyszögletes tekercs) van elhelyezve minden kocsiban pontosan a vágány közepén futó kábel felett. A kocsi és a tekercs azonos hosszúságú. A kocsi egységnyi hosszra eső tömege kg/m. Ha , és a vágánybeli kábel és a tekercs árama egyaránt , hány menetesnek kell lennie a tekercsnek, ha ?
Megoldás. A mágneses indukció nagysága az egyenes vezetőtől távolságban (a rajz síkjába befelé) A téglalap alakú vezető hurok egyes darabkáira ható erő az képlet alapján számítható. A és a szakaszokon ható erők kiejtik egymást, így | |
Az menetes tekercset tartalmazó vonat lebeg a sínen, ha (kihasználva, hogy ) Ebből a megadott számadatokkal menet adódik.
II. kategória 1. feladat. Három azonos tömegű és méretű () lapos korong nyugszik vízszintes sima lapon. A és korong vékony, hosszú fonállal van összekötve. A fonál kezdetben laza, de egyenes, iránya -os szöget zár be az és korongok közepét összekötő egyenessel. Az korongot sebességgel meglökjük úgy, hogy a koronggal centrálisan ütközzön. Az ütközések abszolút rugalmasak és pillanatszerűek.
7. ábra Az és korongok ütközésétől számítva mennyi idő múlva lesz a és korongok középpontját összekötő egyenes párhuzamos az korong pályájával? Milyen távol lesz ekkor az korongtól a és korong? (Tekintsük a korongokat pontszerűeknek!)
8. ábra Megoldás. A folyamatban két rugalmas ütközés megy végbe. Az első ütközés során (tömegük egyenlősége miatt) az és korongok ,,sebességet cserélnek'', az korong megáll, pedig sebességgel megindul.
9. ábra Vizsgáljuk a és korongból álló rendszer további mozgását! A második rugalmas ütközés akkor következik be, amikor a fonál hirtelen megfeszül, és megrántja a végeihez kötött két korongot; egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú erőlökést adva nekik. Ez az erőlökés a fonálra merőleges sebességkomponenseket nem tudja megváltoztatni (tehát a 8. ábrán látható jelölésekkel azok nagysága és nulla marad), a fonállal párhuzamos sebességkomponensek pedig (mivel a korongok tömege megegyezik) kicserélődnek (9. ábra). A második ütközés után tehát mindkét test sebességének nagysága ugyanakkora: de a sebességük iránya egymásra merőleges. Válasszunk egy olyan koordináta-rendszert, amelynek tengelye a -vel (az korong pályájával) párhuzamos, ebben a második ütközésben részt vevő testek sebessége az ütközés után: illetve tehát mindkét test az tengellyel -os szöget bezáró irányban mozog. A második ütközés (a fonál által kifejtett erőlökés) után a fonál azonnal meglazul, és mindkét korong erőmentesen, egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. A két korongot összekötő egyenes akkor lesz párhuzamos az tengellyel (az korong korábbi sebességével), amikor is és is megteszi sebességgel az nagyságú ,, irányú'' távolságot. Ez a pillanat az -val való ütközés után múlva következik be. Ekkor mind az , mind pedig a korong távolságban lesz az korongtól, egymástól mért távolságuk pedig .
2. feladat. Két párhuzamos, egymástól távolságra futó vízszintes fémsín egyik végét kapacitású, kezdetben töltetlen kondenzátorral zárjuk le. A sínpár időben állandó, függőleges irányú, indukciójú homogén mágneses mezőben van. A sínpárra merőlegesen egy ellenállású, tömegű vezető rudat fektetünk, amit sebességgel meglökünk. Mekkora sebességre lassul le a rúd, ha a sín elegendően hosszú, és a mágneses tér is kellően kiterjedt? (A sín elektromos ellenállása, a súrlódás és az önindukciós hatások elhanyagolhatók.)
10. ábra Megoldás. A rúd indítását követően a mozgási indukció jelensége miatt feszültség indukálódik, indukált áram folyik, és a kondenzátor elkezd feltöltődni. A pillanatnyi áramerősséget az indukált feszültség és a kondenzátor feszültsége határozza meg: A mágneses térben mozgó, áramjárta rúdra fékező mágneses erő hat, ezért a rúd sebessége csökken. Ez a sebességcsökkenés mindaddig tart, amíg áram folyik, azaz amíg az indukált feszültség és a kondenzátor feszültsége ,,ki nem oltja'' egymást: A dinamika alaptörvénye alapján ahonnan felhasználásával Ha az indulástól a sebesség állandósulásáig elemi részekre osztjuk a mozgást, és a fenti összefüggést minden részre felírjuk, majd azokat összegezzük adódik. Ebből (1) felhasználásával
3. feladat. Egy alapterületű, függőlegesen álló hengerben lévő levegőt elhanyagolható tömegű, súrlódásmentesen mozgó dugattyú zár el a külső levegőtől. A levegőoszlop magassága h=5dm. A dugattyúra óvatosan egy m=14kg tömegű nehezéket helyezünk, majd elengedjük azt. A dugattyú és a nehezék kis amplitúdójú, jó közelítéssel harmonikus rezgőmozgásba kezd. Határozzuk meg a rezgés amplitúdóját, frekvenciáját és a dugattyú maximális sebességét!
11. ábra (A henger fala hőszigetelőnek tekinthető. A külső légnyomás pk=100kPa. Szükség esetén használjuk a következő közelítést: (1±x)n≈1±nx, ha x nullához közeli érték.)
Megoldás. Ha a dugattyú‐teher rendszer a kiindulási helyzetből x távolsággal elmozdul lefelé, akkor a rá ható eredő erő ahol p a levegő megnövekedett nyomása. Mivel az állapotváltozás adiabatikus, és a bezárt gáz térfogata a levegőoszlop magasságával arányos: azaz | p=pk(hh-x)κ≈pk(1+κxh). | (2) | (1) és (2) összevetésével a dugattyú‐teher rendszerre ható eredő erő Ezt a kifejezést F(x)=-D(x-x0) alakban is írhatjuk, ahol | D=κApkh=2800Nmésx0=mghκApk=5cm. |
Ez az erőtörvény ‐ a függőleges rugóra akasztott test példájához hasonlóan ‐ x0 egyensúlyi helyzet körüli harmonikus rezgőmozgást ír le. Mivel a test a rezgés szélső helyzetéből indult, a rezgés amplitúdója is x0, tehát 5 cm. A rezgés frekvenciája a dugattyú maximális sebessége pedig
III. kategória Az 1. és 3. feladat megegyezik a II. kategória megfelelő feladatával.
2. feladat. Egy R=10cm sugarú, hosszú henger belsejében egy vele párhuzamos tengelyű, R/2 sugarú kisebb henger helyezkedik el, ami belülről érinti a nagyobb hengert. A kisebb hengerben nincs mágneses mező, a nagyobb henger maradék részében időben egyenletesen változó, homogén eloszlású mágneses mező van. Az indukció változási gyorsasága ΔB/Δt=80V/m2. A mágneses indukció párhuzamos a henger tengelyével.
12. ábra Határozzuk meg az indukált elektromos mező térerősségét a kisebb henger belsejében!
Megoldás. Ha a nagyobb hengert teljesen kitöltené a változó mágneses mező, akkor a belsejében a tengelyétől r távolságban (r≤R) az indukált elektromos mező a szimmetria miatt ,,érintőleges'', és nagyságát az indukciótörvény határozza meg: | 2rπ⋅E=ΔBΔt⋅r2π,azazE=r2⋅ΔBΔt. |
Képzeljük el, hogy a feladatban szereplő mágneses mező úgy jön létre, hogy két, időben változó mágneses mező szuperponálódik:
(i) | egy egyenletesen változó, homogén B(t) tér, ami a nagy hengert teljesen kitölti, és |
(ii) | egy -B(t)-vel jellemezhető mező, ami csak a kis henger belsejében van. |
13. ábra A kis henger valamely P belső pontja legyen a nagy henger O1 középpontjától r távolságra, a kis henger O2 középpontjától s távolságra, és a megfelelő vektorokat jelöljük r-rel, illetve s-sel (lásd a 13. ábrát). Ekkor P-ben az indukált E elektromos mező két indukált térerősségből szuperponálható: E=E1+E2, ahol | E1=12ΔBΔtrB(t) változása miatt,E2=12ΔBΔts -B(t) változása miatt. |
Mivel E1⊥r és E2⊥s, az O2PO1 és a PAB háromszögeknek van egy közös szöge (α). Másrészt miatt a két háromszögben az egyenlő szöget közrefogó oldalak aránya is egyenlő, tehát a két háromszög hasonló. Ezért | BPAB=EE1=O1O2O1P=R2r,vagyisE=E1⋅R2r=R4ΔBΔt=2,0Vm. | Másrészt E merőleges az O1O2 egyenesre, vagyis E-nek nemcsak a nagysága, de az iránya is független a P pont helyzetétől, tehát a kisebb hengerben az indukált elektromos mező homogén.
A verseny végeredménye I. kategória
1. | Sipos Barnabás (Budapest, Trefort Ágoston Kéttannyelvű Szki., 12. évf.), tanára: Fülöp László; |
2. | Szarvas Tamás (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.), tanára: Beregszászi Zoltán; |
3. | Mendli Bálint (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.), tanára: Beregszászi Zoltán; |
4. Juhász Gábor (Vác, Boronkay György Műszaki Szki., 12. évf.); 5. Drahos Tamás (Miskolc, Bláthy Ottó Villamosipari Szki., 11. évf.); 6. Pszota Zsolt (Vác, Boronkay György Műszaki Szki., 12. évf.); 7. Cserháti Sándor (Győr, Pattantyús Géza Ipari Szki., 12. évf.); 8. Simon Tamás (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 11. évf.); 9. Varga Gábor (Budapest, Alternatív Közgazdasági Gimn., 12. évf.); 10. Koltay Szabolcs (Budapest, Puskás Tivadar Távközlési Techn., 12. évf.).
II. kategória
1. | Siroki László (Debrecen, Fazekas Mihály Gimn., 12. évf.), tanára: Simon Gyula; |
2. | Nagy Márton (Budapest, Piarista Gimn., 12. évf.), tanárai: Futó Béla; |
3. | Vehovszky Balázs (Budapest, Piarista Gimn., 11. évf.), tanára: Futó Béla; |
4. Balogh László (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 5. Nagy Zoltán Lóránt (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 6. Pápai Tivadar (Barcs, Dráva Völgye Középisk., 12. évf.); 7. Tóth Sándor (Csongrád, Batsányi János. Gimn., 11. évf.); 8. Dolgos Gergely (Budapest, Árpád Gimn., 12. évf.),; 9. Rácz Éva (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.); 10. Kiss Demeter (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 11. évf.).
III. kategória
1. | Pallos Péter (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.), tanára: Horváth Gábor; |
2. | Nagy Szabolcs (ELTE Trefort Ágoston Gyak. Gimn., 12. évf.), tanára: Chikán Éva; |
3. | Béky Bence (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.), tanára: Horváth Gábor; |
4. Sparing Dániel (ELTE Radnóti Miklós Gyak. Gimn., 11. évf.); 5. Szekeres Balázs (Szolnok, Verseghy Ferenc Gimn., 11. évf.); 6. Szilva Attila (Miskolc, Földes Ferenc Gimn., 12. évf.); 7. Antal Ágnes (ELTE Apáczai Csere János Gyak. Gimn., 12. évf.); 8. Fejős Gergely (ELTE Radnóti Miklós Gyak. Gimn., 11. évf.); 9. Harangi Viktor (Fazekas Mihály Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.); 10. Szalai Bence (Lovassy László Gimn., 12. évf.).
|