Feladat: 2237. fizika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Cynolter Gábor ,  Szikrai Szabolcs 
Füzet: 1988/április, 181 - 183. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Egyéb gördülés (Gördülés), Tapadó súrlódás, Geometriai szerkesztések alkalmazása, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1987/május: 2237. fizika feladat

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

I. megoldás. Jelöljük a nagyobb henger tömegét M-mel, a kisebbét pedig m-mel. Abban a pillanatban, amikor a nagyobb henger éppen megemelkedik, az 1. ábrán látható α szögre

cosα=R-rR+r=D-dD+d(1)
teljesül.
 
 
1. ábra
 

 
 
2. ábra
 

A testekre ható erőket a 2. ábrán tüntettük föl. A nagyobb hengerre ható erők egyensúlyi feltétele
Mg-Kcosα-Ssinα=0,(2)F-Ksinα+Scosα=0,(3)


továbbá a forgatónyomatékok egyensúlyából
FR-SR=0.(4)
A fenti egyenletrendszerből
K=MgésS=F=Mgsinα1+cosα=Mgtgα2

adódik. A két henger akkor nem csúszik meg egymáson, ha az S tapadó súrlódási erő nem haladja meg a felületeket összeszorító K erő μ-szörösét, vagyis ha
SK=tgα2<μ.(5)
Amennyiben ez a feltétel a kezdeti ‐ tehát a legnagyobb ‐ α szögre teljesül, úgy a lassú, óvatos (lényegében egyensúlyi helyzeteken keresztül megvalósuló) áthúzás későbbi pillanataiban is fenn fog állni. A csúszásmentes átgördülés feltétele tehát (1) és (5) összevetéséből
μ>dD.(6)

Amennyiben a kis henger rögzített, ez a feltétel elegendő a nagy henger óvatos átemeléséhez. Természetesen a mozgás során mindig az α szög pillanatnyi értékének megfelelő
F(x)=Mgtgα2(7)
húzóerőt kell kifejtenünk. Ennek legnagyobb értéke a kezdeti helyzethez tartozó
Fmax=MgdD.(8)

Ha a kis henger is elfordulhat, illetve elcsúszhat, akkor annak egyensúlyi feltételeit is meg kell vizsgálnunk. A 2. ábra jelöléseivel
Kcosα+Ssinα-N=0,(9)Ksinα-Scosα-S'=0,(10)Sr-S'r=0.(11)



Ezekből, továbbá a korábbi összefüggésekből az
S'=S=Mgtgα2,(12)N=Mg+mg(13)

eredmény adódik. Tekintettel arra, hogy m>0,
S'N=MM+mtgα2<tgα2<μ,
a kis henger tehát biztosan nem fog megcsúszni, ha a két henger egymáson nem csúszik el.
 

II. megoldás. Szerkesszük meg Mg-ből kiindulva az egyensúlyi elrendezéshez tartozó erőket!
 
 
3. ábra
 

Az Mg és az F erő eredőjének a hengerek B érintkezési pontja felé kell mutatnia, ellenkező esetben ugyanis a nagy henger elfordulna B körül. Innen rögtön adódik, hogy

F=Mgtgα2.


(Felhasználtuk, hogy az ABO háromszög egyenlő szárú.) A hengerek biztosan nem csúsznak meg egymáson, ha a B pontban ható erőnek és a felületekre merőleges egyenesnek a szöge kisebb, mint a μ súrlódási együtthatóhoz tartozó határszög:
α2<arc tgμ,
azaz
tgα2<μ.
Ez a feltétel egyúttal a kis henger stabilitását is biztosítja, hiszen az ABO és a CBP háromszögek hasonlóak, így a nagy henger által a kisebb hengerre kifejtett erő hatásvonala átmegy C-n, s ehhez az erőhöz az mg erőt is hozzáadva az eredőnek a függőlegessel bezárt β szöge biztosan kisebb, mint α/2.
 

Megjegyzések. 1. Belátható, hogy a b) esetben az egyensúlyi helyzetnek megfelelő nagyságú F erő esetén a rendszer a tiszta gördülésre nézve nem instabil, hanem közömbös.
2. A nagyobb henger nem csak egyensúlyi helyzetek sorozatán keresztül emelhető át az akadályon, hanem pl. egy hirtelen rántással is; ezek vizsgálata azonban lényegesen bonyolultabb feladat lenne.