• Σύστημα “οριζόντιο ελατήριο – Μάζα” και ανελαστική κρούση

                     3η:  ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ – ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ                                              

Παρακολουθείστε τη συζήτηση δύο μαθητών στην προσπάθειά τους να λύσουν ένα πρόβλημα φυσικής. Ο ακροατής, εν προκειμένω ο αναγνώστης, έχει τη ευκαιρία να παρακολουθήσει και τις σκέψεις των μαθητών που δεν μπορούν να καταγραφούν σε μια επίσημη λύση. Να γνωρίσει δηλαδή πώς αντιπαρέρχονται μια λάθος σκέψη, πώς ο ένας διορθώνει ή συμπληρώνει τον άλλον, τον τρόπο που ανταλλάσσουν τις εμπειρίες τους, τα κόλπα που χρησιμοποιεί ο ένας ή ο άλλος, πώς θα προτιμούσαν να είναι η άσκηση, τι δεν τους αρέσει στην εκφώνηση, πώς ο «δυνατός» μαθητής βοηθάει τον «αδύνατο» κ.λπ.  Έχει ενδιαφέρον. Απολαύστε τους!

• Στις ανελαστικές κρούσεις, μετά την εφαρμογή Α.Δ.Ο και Α.Δ.Ε, προκύπτει σύστημα εξισώσεων που ανάγονται στη λύση εξίσωσης 2^ου βαθμού. Η επίλυση οδηγεί συνήθως σε δύο ζεύγη τιμών από τα οποία το ένα πολλές φορές, εδώ στη Φυσική, πρέπει να αποκλειστεί.

• Όταν μας ζητούν τη μέγιστη ή ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο κινητών, αφού μελετήσουμε την κίνηση του καθενός καταλήγουμε πάντα στο ίδιο συμπέρασμα: η απόσταση  γίνεται μέγιστη ή ελάχιστη όταν οι ταχύτητες εξισώνονται.

 

Το σώμα Σ₂ έχει μάζα m = 1kgr και ισορροπεί πάνω σε λείο οριζόντιο δάπεδο στερεωμένο στο άκρο οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k = 100 N/m, όπως στο σχήμα.  Ένα άλλο σώμα Σ₁ μάζας 2m κινούμενο στην προέκταση του άξονα του ελατηρίου προσπίπτει στο πρώτο με ταχύτητα υ₁ = 10 m/s. Αμέσως μετά τη σύγκρουση το σύστημα έχει, λόγω απωλειών, κινητική ενέργεια μικρότερη, ίση με τα ¾ της κινητικής ενέργειας πριν την κρούση, ενώ το Σ₂ ξεκινά μια α.α.τ.

Α. Να βρείτε τις ταχύτητες των σωμάτων αμέσως μετά την κρούση.

Β. Να εξηγήσετε γιατί κάποια στιγμή η απόσταση των δύο σωμάτων …

Δείτε:

• Ολόκληρη την Άσκηση με τις Απαντήσεις.
• Τη Λύση της από τους Μαθητές.

ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΠΑΦΗΣ «ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΑΠΟΔΗ»

• Απώλεια επαφής δύο σωμάτων, που το ένα είναι δεμένο σε ελατήριο θα συμβεί, ο κόσμος να χαλάσει, στη θέση όπου το ελατήριο αποκτά το φυσικό του μήκος. Εκεί, η ΣF σε κάθε σώμα είναι ίση με το βάρος του και η επιτάχυνση ίση με g.

Το σώμα Σ₂ του σχήματος είναι δεμένο στο κάτω άκρο  ενός αβαρούς σχοινιού το οποίο διέρχεται από μια  κατακόρυφη οπή του Σ₁. Το Σ₁ είναι δεμένο στο κάτω άκρο ενός κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 100 N/m. Το πάνω άκρο του ελατηρίου είναι στερεωμένο σε σταθερό σημείο. Τα δύο σώματα έχουν ίσες μάζες m₁ = m₂ = m = 1 kg και ισορροπούν ευρισκόμενα σε επαφή, χωρίς να είναι κολλημένα μεταξύ τους,  σε μια θέση όπου το ελατήριο είναι συμπιεσμένο κατά Δℓ με τη βοήθεια δύναμης F =100 N που ασκείται στο άλλο άκρο του σχοινιού.

(Στο σχήμα, τα Φ και Ι είναι δυο σημεία από τα οποία διέρχεται το κέντρο του Σ₁ όταν, αντίστοιχα, το ελατήριο έχει μηδενική παραμόρφωση και όταν τα δύο σώματα ισορροπούν).

Κάποια στιγμή το σχοινί κόβεται και τα δύο σώματα αρχίζουν να κινούνται προς τα κάτω.

Α.  Εξηγείστε γιατί η επαφή των δύο σωμάτων δεν χάνεται αμέσως, αλλά αφού πρώτα διανύσουν κάποιο διάστημα. Σε ποια θέση χάνεται η επαφή και πόσο είναι αυτό το διάστημα;

Β. Να βρεθεί το πλάτος ταλάντωσης του Σ₁ μετά το αποχωρισμό των σωμάτων.

Γ. Σε ποια θέση βρίσκεται το Σ₁ …

Δείτε:

• Ολόκληρη την Άσκηση με την απάντηση.
• Την προτεινόμενη Λύση της.

Σύστημα “κατακόρυφο ελατήριο - σώμα” και πλαστική κρούση. 5η περίπτωση

•  (Χρήση βαθμολογημένου άξονα - Επίπεδο δυσκολίας 5, «ψυχραιμία!»)
• Το συσσωμάτωμα ξεκινά ταλάντωση με αρχική φάση 3π/2  

Στο πάνω άκρο ενός κατακόρυφου ελατηρίου σταθεράς k = 400 Ν/m είναι στερεωμένο και ισορροπεί στη θέση Ι ένα σώμα μάζας Μ = 1 kgr (σχήμα α).       Το κάτω άκρο του ελατηρίου είναι μόνιμα στερεωμένο στο έδαφος.

 Απομακρύνουμε το σώμα κατακόρυφα προς τα κάτω κατά d = 0,1√ 2 m, ως τη θέση Β (σχήμα β) και το αφήνουμε ελεύθερο χωρίς αρχική ταχύτητα, οπότε ξεκινά να κάνει α.α.τ.

 Ένα δεύτερο σώμα ίδιας μάζας m = 3 kgr  κινείται κατακόρυφα προς τα κάτω και στην πορεία  του συναντάει το ταλαντευόμενο σώμα στη θέση x₁ = -0,1 m κάτω από τη θέση ισορροπίας του με ταχύτητα υ₀  (σχήμα γ) και συγκρούεται πλαστικά με αυτό.

Μετά την κρούση το συσσωμάτωμα που προέκυψε ξεκινάει, χωρίς αρχική ταχύτητα, μια α.α.τ. (σχήμα δ).

Α. Να υπολογίσετε ….

     Δείτε:

• Ολόκληρη την άσκηση με τις απαντήσεις.
• Την προτεινόμενη λύση.

Σύστημα “κατακόρυφο ελατήριο - σώμα” και πλαστική κρούση

• 4η περίπτωση: (Επίπεδο δυσκολίας 4, «όχι και τόσο φοβερή!»)
• ΟΠΟΥ Το συσσωμάτωμα ξεκινά ταλάντωση με αρχική φάση π και τετραπλάσια ενέργεια

 
Στο πάνω άκρο ενός κατακόρυφου ελατηρίου σταθεράς k είναι στερεωμένο και ισορροπεί στη θέση Ι ένα σώμα Σ₁ μάζας Μ = 1 kgr (σχήμα α). Το κάτω άκρο είναι στερεωμένο στο έδαφος.

Ανεβάζουμε το σώμα ως τη θέση Φ, όπου το ελατήριο έχει μηδενική παραμόρφωση, (σχήμα β) και το αφήνουμε ελεύθερο να πέσει με μηδενική αρχική ταχύτητα. Το σώμα αρχίζει να κάνει α.α.τ. (σχήμα γ).

Ένα δεύτερο σώμα Σ₂ μάζας m κινείται κατακόρυφα προς τα κάτω και στην πορεία  του συναντάει το Σ₁ στην κάτω ακραία θέση του με ταχύτητα υ₀  (σχήμα δ) και συγκρούεται πλαστικά με αυτό.

Κατά την κρούση μετατρέπεται σε θερμότητα το 50% της κινητικής ενέργειας που είχε το σύστημα αμέσως πριν την κρούση.

Μετά την κρούση (που θεωρούμε ότι συμβαίνει τη στιγμή t=0) το συσσωμάτωμα που προέκυψε ξεκινάει μια α.α.τ. με γωνιακή συχνότητα ω = 10 r/s και ενέργεια ταλάντωσης τετραπλάσια της αντίστοιχης του Σ₁ πριν την κρούση.

Να υπολογίσετε: ....

• Η συνέχεια εδώ, και
• Η Λύση εδώ

Απλή αρμονική ταλάντωση συστήματος "ιδανικού κατακόρυφου ελατηρίου - μάζας" σε πεδίο βαρύτητας

   Το παρακάτω άρθρο, είναι η συνέχεια της ανάρτησης  "το πρότυπο του απλού αρμονικού ταλαντωτή". Είχε δημοσιευτεί πέρσι τον Αύγουστο. Το ξαναδίνω αναθεωρημένο στην κυκλοφορία σε τέσσερα μέρη και εμπλουτισμένο με δύο σχετικές ασκήσεις. 

• Το πρώτο μέρος είναι αρκετά τυπικό και περιέχει βασικές γνώσεις α.α.τ. 
• Το δεύτερο περιγράφει πώς δυο καλοί μαθητές μπορούν εύκολα να μπλέξουν "σαν τον Ηρακλή με τις κουβαρίστρες", ακριβώς επειδή είναι καλοί. Ευτυχώς που είναι δύο! 
• Στο τρίτο μέρος οι συμμαθητές "γεννούν" μια ιδέα που ξεκαθαρίζει τη σχέση μεταξύ των τριών δυναμικών ενεργειών: βαρύτητας, ελαστικότητας και ταλάντωσης. 
• Στο τέταρτο μέρος γίνεται αναλυτική παρουσίαση δύο σχετικών ασκήσεων.

Το άρθρο διαβάζεται εύκολα και από μαθητές. Απαιτεί, ίσως, λίγο παραπάνω συγκέντρωση, θα ωφεληθούν όμως και κάποια από αυτά ίσως τα βρουν μπροστά τους!

• ΜΕΡΟΣ 1^ο: Τα βασικά (μαζί με μια εφαρμογή)

• ΜΕΡΟΣ 2^ο:  Όπου δυο μαθητές, προσπαθούν να δώσουν απάντηση σε μια απλή αλλά ενδιαφέρουσα ερώτηση. 

• ΜΕΡΟΣ 3^ο: Όπου οι δυο μαθητές κάνουν μια "σημαντική ανακάλυψη" για τη Μηχανική ενέργεια ταλάντωσης συστήματος "κατακόρυφου ελατηρίου – μάζας".

• ΜΕΡΟΣ 4^ο: Όλες οι δυναμικές ενέργειες μαζί. (Δύο ασκήσεις με τη λύση τους)

Σύστημα “κατακόρυφο ελατήριο - σώμα” και πλαστική κρούση 3η περίπτωση:

•  (Επίπεδο δυσκολίας 3, +μια απορία!)
• ΟΠΟΥ Tο συσσωμάτωμα ξεκινά ταλάντωση με αρχική φάση Π/2. (ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΕΙΤΑ ΑΠΟ ΟΛΙΚΗ ΑΠΩΛΕΙΑ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΤΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ)

Το σώμα Σ₁ μάζας Μ = 1 kgr ισορροπεί στερεωμένο στο κάτω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου (σχήμα α). Το τραβάμε προς τα κάτω και κάποια στιγμή το αφήνουμε ελεύθερο χωρίς αρχική ταχύτητα (σχήμα β). Το σώμα τότε ξεκινάει μια απλή αρμονική ταλάντωση (σχήμα γ) με τα εξής χαρακτηριστικά:

1. Ο ελάχιστος χρόνος μετάβασης από τη μία ακραία θέση στην άλλη είναι 0,1π sec.

2. Η πάνω ακραία θέση είναι η Φ, όπου η παραμόρφωση του ελατηρίου είναι μηδέν.

Α. Να βρείτε τη σταθερά k του ελατηρίου και το πλάτος της ταλάντωσης του Σ₁.

    Κάποια στιγμή καθώς το σώμα Σ₁ διέρχεται από τη θέση ισορροπίας του, προσπίπτει πάνω του και συγκολλιέται με αυτό, ένα άλλο σώμα Σ₂ μάζας m που κινείται προς τα πάνω κατακόρυφα στην προέκταση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ₀ τέτοια, ώστε το συσσωμάτωμα που δημιουργείται να έχει αμέσως μετά την κρούση ταχύτητα μηδέν.

Β.  Αν η ενέργεια ταλάντωσης του συσσωματώματος  είναι ίση με 64% της αρχικής ενέργειας ταλάντωσης του Σ₁, να βρείτε τη μάζα m του Σ₂.

Γ. Εξηγείστε γιατί το υπόλοιπο 36% της αρχικής ενέργειας ταλάντωσης του Σ₁, δεν .......

• Ολόκληρη η άσκηση εδώ, και
• Η Λύση εδώ.
  
  
  

Εισαγωγικές εξετάσεις ομογενών 2013 στη Φυσική κατεύθυνσης

• ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΟΜΟΓΕΝΩΝ 2013

• ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ 
  

*ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

• Σχόλια από  YLIKONET