A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. Ha egy rugó különböző részeit különböző nagyságú erő feszíti, akkor a rugó megnyúlása nem számolható a szokásos képletből, hanem bonyolultabb eljárásra van szükség. Általánosan alkalmazható módszer: gondolatban felosztjuk a rugót olyan kicsiny darabkákra, hogy egy-egy darabkán belül a húzóerőt már állandó nagyságúnak tekinthessük, kiszámítjuk a kicsiny darabkák megnyúlását, majd ezeket összegezzük. A végeredmény általában felsőbb matematikai módszereket (integrálszámítást) igényel, szerencsére ez a feladat elemi úton is megoldható. Az egyik végénél fogva függőlegesen lógatott tömegű rugóban az átlagos húzóerő , ennek megfelelően a rugó megnyúlása , ahol az egyenletesen húzott rugóra jellemző direkciós állandó. A feladat ábráján látható ,,belógós'' esetben a rugó mindkét végét függőleges és a -os szög miatt ugyanekkora nagyságú vízszintes erővel kell tartani. A rugót feszítő erő vízszintes komponense mindenhol ugyanakkora, tehát , hiszen a rugó egyes darabkáira nem hat vízszintes irányú külső erő. A rugót feszítő erő függőleges irányú komponense a rugó súlya miatt helyről helyre változik: a rugó közepénél szimmetria-okokból nulla, a végpontokban pedig . A teljes rugóerő (a vízszintes és a függőleges komponensek négyzetösszegéből vont négyzetgyök) egyetlen pont kivételével mindenhol nagyobb, mint a vízszintes erőkomponens, vagyis . Emiatt az átlagos húzóerőről ‐ annak részletes kiszámítása nélkül is ‐ határozottan állíthatjuk, hogy , azaz a megnyúlás . A megnyúlt rugó tehát a függőlegesen lógatott helyzetben lesz rövidebb, az ábrán látható ívesen belógó helyzetben pedig hosszabb.
Megjegyzések. 1. A rugó kicsiny darabkáira felírt Hooke-törvény segítségével (majd a darabkák méretével nullához tartva) be lehet látni, hogy a két végénél felfüggesztett rugó parabola alakú. Integrálszámítás felhasználásával azt is ki lehet számítani, hogy a -os szögben induló, ívesen hajló rugó hosszának és a függőlegesen lógó rugó hosszának aránya
Rakyta Péter (Selye J. Gimn., Révkomárom, 10. o.t.) |
2. Tóth Sándor (Csongrád, Batsányi J. Gimn., 11. o.t.) megpróbálta az elméleti megfontolások eredményét méréssel is alátámasztani. Egy nagy menetszámú, kis direkciós állandójú (könnyen nyújtható) acélrugót választott, és megmérte a megnyúlásukat a feladatban megadott felfüggesztéseknél. Az eredmény több mint zavarba ejtő: a rugót 1 pontban rögzítve a hosszát 235 cm-nek mérte, míg 2 pontban rögzítve és a -os szöget gondosan beállítva a nyújtott rugó hosszát 179 cm-nek találta. A várakozással ellentétes előjelű, szignifikáns (20 százaléknyi!) hosszkülönbség magyarázatot igényel. Egy lehetséges magyarázat: az okozza az eltérést, hogy a csavarrugók direkciós állandója nagy erők esetén (erős megnyúlásnál) nem tekinthető állandónak ‐ amint azt az elméleti megfontolásaink során tettük ‐, hanem az erő függvényében csökken. Márpedig ha a megnyúlás nem arányos a húzóerővel, akkor a súlyerő átlagolásával számított megnyúlás eltérhet a ténylegestől. Az a tény is szerepet játszhat a jelenség körültekintőbb leírásában, hogy az egyik végénél fogva felfüggesztett rugó ki tud tekeredni (az alsó vége akár több fordulatot is megtehet a rugó súlyának hatására), míg a mindkét végénél befogott rugó ezt nem teheti meg. |