Feladat: 3465. fizika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Rakyta Péter ,  Tóth Sándor 
Füzet: 2002/május, 308 - 309. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Kötelek (láncok) egyensúlya, Hooke-törvény, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2001/október: 3465. fizika feladat

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 F=DΔl 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 m tömegű rugóban az átlagos húzóerő mg/2, ennek megfelelően a rugó megnyúlása mg/(2D), ahol D az egyenletesen húzott rugóra jellemző direkciós állandó.
A feladat ábráján látható ,,belógós'' esetben a rugó mindkét végét mg/2 függőleges és a 45-os szög miatt ugyanekkora nagyságú vízszintes erővel kell tartani. A rugót feszítő erő vízszintes komponense mindenhol ugyanakkora, tehát mg/2, 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 mg/2.
A teljes rugóerő (a vízszintes és a függőleges komponensek négyzetösszegéből vont négyzetgyök) egyetlen pont kivételével mindenhol nagyobb, mint a vízszintes erőkomponens, vagyis mg/2. Emiatt az átlagos húzóerőről ‐ annak részletes kiszámítása nélkül is ‐ határozottan állíthatjuk, hogy F¯>mg/2, azaz a megnyúlás Δl>mg/(2D).
A megnyúlt rugó tehát a függőlegesen lógatott helyzetben lesz rövidebb, az ábrán látható ívesen belógó helyzetben pedig hosszabb.

 
Több dolgozat alapján
 

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 45-os szögben induló, ívesen hajló rugó l1 hosszának és a függőlegesen lógó rugó l2 hosszának aránya l1l2=2+ln(1+2)21,15.
 
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 45-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.