Feladat: 57. fizika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Bácsy J. ,  Fritz József ,  Hegedüs István ,  Horváth Sándor ,  Kiss A. ,  Krámli András ,  Máté A. ,  Máté Zsolt ,  Mezei Ferenc ,  Molnár László ,  Nagy Dénes Lajos ,  Pósch Margit ,  Pretsch E. ,  Szarka György ,  Székely Jenő ,  Szidarovszky Ágnes 
Füzet: 1960/november, 179 - 182. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Rugalmas erő, Egyéb nyújtás, összenyomás, Analógia alkalmazása, Egyenletesen gyorsuló rendszerek, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1960/április: 57. fizika feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

I. megoldás: A feladatban szereplő deformációt egyértelműen ki lehet számítani, aszerint kell azonban levonni, vagy hozzáadni az eredeti hosszhoz (összenyomás, vagy megnyúlás), hogy a hatóerő támadáspontja a gyorsulás irányában nézve megelőzi-e a rugó pontjait, vagy követi-e azokat. Számítsuk ki a deformáció abszolút értékét ! A rugó minden pontjára más és más deformáló erő hat. Az egyik végénél (a gyorsító erő támadáspontjánál) P=Ma a deformációt okozó erő, a másik végénél 0. Ebből következik, hogy az eredeti rugón felvett egyenlő kis szakaszok különböző mértékben deformálódnak a gyorsulás alkalmával. A teljes deformációt kiszámíthatjuk oly módon, hogy a rugót hossza mentén beosztjuk képzeletben kis szakaszokra ‐ amelyeken belül közelítőleg állandónak tételezhetjük fel a ható erőt ‐, majd ezen kis szakaszok ,,elemi'' megnyúlásait összegezzük.
Osszuk fel a rugót n egyenlő részre. Egy-egy ilyen szakasz hossza l0/n, tömege M/n, direkciós ereje kn, hiszen n-szer kisebb rugószakaszt n-szer nagyobb erővel kell ugyanakkorára megnyújtani (egységnyire). Jelöljük a P erő támadáspontjával ellentétes rugóvéget O-val, majd innen az egyes osztópontokat 1,2,3,...,(n-1) és n-nel.
O mögött (húzás esetén) nincs rugó, az 1.,2.,3.,...,n. mögötti rugórész tömege 1M/n, 2M/n, 3M/n,...,nM/n, tehát ha a rugó minden pontja a gyorsulással mozog, akkor a 0.,1.,2.,3.,...,n. pontban ható erők rendre 0, 1Ma/n, 2Ma/n, 3Ma/n,...,nMa/n. Az O1¯ szakasz bármely belső pontjában 0-nál nagyobb, 1Ma/n-nél kisebb erő hat, az 12¯ szakasz belső pontjaiban 1Ma/n-nél nagyobb, 2Ma/n-nél kisebb, a 23¯ szakasz belső pontjaiban 2Ma/n-nél nagyobb, 3Ma/n-nél kisebb stb. erő hat. Egy-egy rugószakasz bármely, a végpontoktól különböző pontjában nagyobb erő hat, mint a szakasz O felőli végpontjában, de ez az erő kisebb, mint az n. felőli végpontjában fellépő erő. Most kiszámítjuk, mekkora lenne a rugó teljes megnyúlása, ha annak minden szakasza minden pontjában akkora erő működnék, mint az illető szakasz O felőli végpontjánál. Ekkor ‐ az osztópontoktól eltekintve ‐ mindenütt kisebb erőt veszünk, mint a valóságos feszítőerő, tehát a ténylegesnél kisebb λ' megnyúlást kapunk. Majd kiszámítjuk a megnyúlást úgy is, mintha minden szakasz minden pontjában akkora erő hatna, mint az illető szakasz n. felőli végpontjában. Ekkor a ténylegesnél nagyobb erővel számolunk, tehát a ténylegesnél nagyobb λ'' megnyúlást kapunk. Ekkor írható: λ'<λ<λ'', amivel λ-ra két korlátot (alsó és felső) kapunk, (amelyek mindig közrefogják λ-t !). Ha most a beosztást egyre finomítjuk, azaz az osztópontok számát minden határon túl növeljük (n), egyre inkább igaz lesz, hogy a kis szakaszok belső pontjaiban akkora erő működik, mint a végpontban számított erő. (Pontosabban: az elhanyagolás egyre kisebbedik.) Számítsuk ki a λ' és λ''-t !
Az alsó korlát kiszámításánál látjuk, hogy az 1.,2.,3.,...,n. szakaszt 0, Ma/n, 2Ma/n, 3Ma/n,...,(n-1). Ma/n erő feszíti. Az egyes megnyúlások tehát

λ'i=Pinkalapjánλ'i=(i-1)Mannk.
Ezek összege adja meg a teljes megnyúlást:
λ'=i=1n(i-1)MnankaMnnk+a2Mnnk+a3Mnnk+...+a(n-1)Mnnk.
Vagy a számtani sorozat összegképletének felhasználásával:
λ'=aM(1+2+3+...+n-1)n2k=aMn2k1+n-12(n-1)==Ma2kn-1n.


Hasonlóképpen kapjuk λ''-re:
λ''=i=1niMnankésλ''=Ma2kn+1n.
Most már λ'<λ<λ'' alapján felírhatjuk:
n-1nMa2k<λ<n+1nMa2k,
vagy másképpen:
(1-1n)Ma2k<λ<(1+1n)Ma2k.
Ha n értékét minden határon túl növeljük, az ,,alsó közelítő összeg'' egyre növekszik, a ,,felső közelítő összeg'' pedig egyre csökken, azaz egyre inkább megközelítik egymást, és mivel a valódi megnyúlás mindig e két érték között van, egyre inkább megközelítik a valódi megnyúlás értékét ! Mivel a bal oldalon és a jobb oldalon szereplő sorozatnak a határértéke (leolvashatóan) egybeesik, ez nem lehet más, mint λ. Így λ-ra, a valódi megnyúlásra kapjuk n esetén (mivel ekkor 1/n0), hogy
λ=Ma2k.Így a rugó hossza:l=l0±Ma2k.
Az adatokat behelyettesítve:
l=80cm±50g100cm sec-220,2pondcm-1=80cm±500020,2981cm, azaz



l=92,74cm vagyl=67,3cm.

Megjegyzés. Érdekes megfigyelni, hogy az így kapott megnyúlás feleakkora, mintha a rugó másik végét fallal támasztanánk meg (sztatikusan). A külső megtámasztás nélküli dinamikus esetben a feleakkora megnyúlást nem az okozza, hogy feleannyi a rá ható külső erő, hanem az erőhatás rugómenti lineáris csökkenése.
 

Székely Jenő (Pécs, Nagy Lajos g. III. o. t.)
 

II. megoldás: Az a gyorsulással mozgó rendszer helyettesíthető egy olyan gravitációs erőtérrel, amelynél g helyett a-t írunk. Ha a rugót gravitációs erőtérbe helyezzük, saját súlya alatt összenyomódik, mégpedig oly módon, hogy az alsó menetek sűrűbben helyezkednek el, mint a felsők, mert a meneteket terhelő súly felülről lefelé nő. Az 1 menetre eső terhelés a rugó mentén lineárisan változik Ma és 0 között, középértéke Ma/2. Ezzel az értékkel számolva:
λ=Ma1k.A megváltozott hossz:l=l0±Ma2k.
Számértékekkel:
l=92,7cm, vagy67,3cm.

Pósch Margit (Bp., Veres Pálné g. IV. o. t.)