background image

Mechanika dla studentów I roku 

Zestaw 4: dynamika, cz. 2. 

 

1. 

Dynamika – ruch jednowymiarowy.

 

Z wysoko ci h = 250 m spada ciało o masie m = 3 kg i zarywa si  w ziemi . Przyjmuj c,  e opór 
ziemi jest stały i wynosi F = 3·10

9

 dyn obliczy , jak gł boko zaryło si  to ciało oraz jaki był czas 

ruchu tego ciała w ziemi. 

2. 

Dynamika – ruch jednowymiarowy.

 

Parowóz o masie m = 50 ton porusza si  po poziomym torze ze stał  szybko ci  v = 4 m/s. 
Po zamkni ciu dopływu pary, parowóz był jeszcze w ruchu przez czas t = 80 s. Obliczy  
opór ruchu parowozu oraz drog  s, jak  przeb dzie parowóz od chwili zamkni cia 
dopływu pary do chwili całkowitego zatrzymania si . 

3. 

Dynamika – ruch jednowymiarowy.

 

Poci g jedzie z szybko ci  54 km/h. Po zamkni ciu dopływu pary i uruchomieniu 
hamulców, poci g porusza si  ze stałym opó nieniem o warto ci a = 0,5 m/s

2

. Po ilu 

sekundach poci g zatrzyma si  i jak  przebiegnie drog  do chwili zatrzymania si . 

4.  Dynamika – zderzenia jednowymiarowe 

a)  Dwie  gliniane  bryłki  o  masach  m

1

  i  m

2

,  biegn ce  ku  sobie  wzdłu   linii  prostej  z 

szybko ciami  v

1

  i  v

2

,  zderzaj   si   niespr

y cie  (po  zderzeniu  powstaje  jedna 

bryłka). Znale  ilo  wydzielonego ciepła Q. 

b)  Dwie kule o masach m

1

 i m

2

, biegn ce wzdłu  linii prostej w tym samym kierunku 

z szybko ciami v

1

 i v

2

, zderzaj  si  całkowicie spr y cie (po zderzeniu powstaje 

układ  dwóch  rozdzielonych  kul  i  spełniona  jest  zasada  zachowania  energii 
mechanicznej). Obliczy  szybko ci ko cowe tych kul po zderzeniu. 

5.  Dynamika – zderzenia dwuwymiarowe 

Dwie gliniane bryłki o masach m

1

 i m

2

, biegn  ku sobie z szybko ciami odpowiednio v

1

 i 

v

2

, przy czym wektory pr dko ci tych kul tworz  przed zderzeniem k t  . Bryłki zderzaj  

si  niespr y cie (po zderzeniu powstaje jedna bryłka). Znale  ilo  wydzielonego ciepła 
Q. 

6.  Dynamika – zderzenia dwuwymiarowe 

Dwie  kule  o  jednakowych  masach  biegn   ku  sobie  z  szybko ciami  odpowiednio  v

1

  i  v

2

przy  czym  wektory  pr dko ci  tych  kul  tworz   przed  zderzeniem  k t  .  Wiadomo,  e  po 
całkowicie  spr

ystym  zderzeniu,  szybko ci  obu  kul  wynosz   u

1

  i  u

2

.  Znale   k t   

mi dzy wektorami u

1

 i u

2

7.  Dynamika – całkowanie numeryczne jednowymiarowego równania Newtona.  

Samochód o masie porusza si  po linii prostej i jest hamowany  sił  o warto ci F(v) = 
kv

2

. Jak  drog  przeb dzie ten samochód, zanim jego szybko  spadnie od warto ci v

0

 = 

72  km/h  do  warto ci  v

0

/2?  Zadanie  nale y  rozwi za   poprzez  numeryczne  scałkowanie 

równania Newtona. Rachunki przeprowadzi  dla  t = 0.5 s,  t = 0.1 s oraz  t = 0.02 s. 
Przyj  k/m = 0.01 [1/m]. Wykonać wykresy v(t) i x(t)

8.  Dynamika – całkowanie numeryczne jednowymiarowego równania Newtona. 

Znale  zale no  poło enia, pr dko ci i przyspieszenia od czasu dla cz stki o masie m
puszczonej swobodnie nad ziemi  (z pr dko ci  pocz tkow  v

0

 = 0), uwzgl dniaj c opór 

powietrza jako sił  proporcjonaln  do pr dko ci: F(v) = -kv. Ruch cz stki odbywa si  w 
obecno ci stałego i skierowanego pionowo w dół przyspieszenia ziemskiego o warto ci 
= 9,80 m/s

2

. Zadanie nale y rozwi za  poprzez numeryczne scałkowanie równania 

Newtona. Rachunki przeprowadzi  dla  t = 0.5 s,  t = 0.1 s oraz  t = 0.02 s. Przyj  k/m 
= 1,00 [1/s]. Wykonać wykresy v(t) i x(t)

9.  Dynamika – całkowanie numeryczne jednowymiarowego równania Newtona. 

background image

Rozwa y  oscylator anharmoniczny, dla którego równanie Newtona ma posta : 

3

( )

( )

.

mx t

F x

x

α

=

= −



 

a)  Dane s  warto ci:   = 5 dyn/cm

3

m = 5 g, x(0) = 2 cm i v(0) = 0. Przyj  przedział 

całkowania numerycznego  t = 0,1 s i obliczy  v(t) i x(t) dla 0   t   T, gdzie T jest 
okresem ruchu (nale y go wyznaczy ). 

b) 

Narysować wykresy x(t) i v(t) dla 0  t  T.

 

c) 

Powtórzy  obliczenia i wyznaczenie T dla  t = 0,02 s.

 

10. 

Dynamika – ruch jednowymiarowy z siłą zależną od czasu.

 

Wyznaczy  zale no  poło enia, pr dko ci i przyspieszenia cz stki o masie m
poruszaj cej si  wzdłu  osi OX, pod wpływem siły F(t) = F

0

cos( t) + F

1

, gdzie F

0

F

1

 i w 

s  dodatnimi stałymi o odpowiednim wymiarze. Dane s  warunki pocz tkowe: (i) v(0) = 0 
x(0) = 0 oraz (ii) v(t

0

) = v

0

 i x(t

0

) = x

0

.

 

11. 

Dynamika – ruch jednowymiarowy z siłą zależną od czasu.

 

Wyznaczy   zale no   poło enia,  pr dko ci  i  przyspieszenia  cz stki  o  masie  m
poruszaj cej si  wzdłu  osi OX, pod wpływem siły F(t) = F

0

sin( t) + F

1

, gdzie F

0

F

1

 i w 

s  dodatnimi stałymi o odpowiednim wymiarze. Dane s  warunki pocz tkowe: (i) v(0) = 0 
x(0) = 0 oraz (ii) v(t

0

) = v

0

 i x(t

0

) = x

0

12. Dynamika – ruch jednowymiarowy z siłą zależną od czasu. 

Wyznaczy   zale no   poło enia,  pr dko ci  i  przyspieszenia  cz stki  o  masie  m
poruszaj cej  si   wzdłu   osi  OX,  pod  wpływem  siły  F(t)  =  F

0

exp(-bt),  gdzie  F

0

  i  b  s  

dodatnimi stałymi o odpowiednim wymiarze. Dane s  warunki pocz tkowe: (i) v(0) = 0 i 
x(0) = 0 oraz (ii) v(0) = -F

0

/(mb) i x(0) = 0. 

13.  Dynamika – wahadło balistyczne 

Na sznurku o długo ci l wisi drewniany kloc o masie M. O jaki k t odchyli si  sznurek, je eli kloc 
zostanie trafiony pociskiem karabinowym o masie m i szybko ci v? Kloc jest na tyle gruby,  e 
pocisk grz nie w nim całkowicie, zawieszenie kloca jest całkowicie elastyczne, a masa sznurka 
jest znikomo mała. 

14. 

Dynamika – ruch trójwymiarowy.

 

Ruch cz stki o masie m zadany jest przez trzy równania: 

( )

( )

( )

cos

,

( )

sin

,

( )

,

x t

a

t

y t

a

t

z t

ct

ω

ω

=
=
=

 

gdzie ac i   s  dodatnimi stałymi o odpowiednim wymiarze (jakim?). 

• 

Opisa , po jakim torze porusza si  cz stka. 

• 

Znale  szybko , przyspieszenie normalne i styczne tej cz stki. 

• 

Wyznaczy  składowe wektora momentu p du L tej cz stki wzgl dem punktu [0,0,0] 
oraz składowe momentu siły, działaj cego na t  cz stk  wzgl dem pocz tku układu 
współrz dnych. 

15. Dynamika – ruch dwuwymiarowy. 

Ruch cz stki o masie m zadany jest przez dwa równania: 

( )

( )

( )

cos

,

( )

sin

,

x t

ct

bt

y t

ct

bt

=
=

 

gdzie a i b s  dodatnimi stałymi o odpowiednim wymiarze (jakim?). 

• 

Znale  równanie toru cz stki. 

• 

Znale  szybko , przyspieszenie normalne i styczne tej cz stki. 

Wyznaczy   składowe  wektora  momentu  p du  L  tej  cz stki  wzgl dem  punktu  [0,0,0]  oraz 
składowe  momentu  siły,  działaj cego  na  t   cz stk   wzgl dem  pocz tku  układu 
współrz dnych. 

background image

 
Wskazówka do zadań z całkowaniem numerycznym. 
Procedur  całkowania numerycznego dla przypadku jednowymiarowego nast puj co. Kolejne 
chwile  czasu  definiujemy  jako  t

0

=0,  t

1

=  t

0

t  =  t,  t

2

  =  t

1

t  =  2· t,  t

3

 =  t

2

t  =  3· t,  itd. 

Nast pnie stosujemy przybli on  relacj :

 

(

)

( )

( ,

,

)

( )

.

def

def

n

n

n

n

n

n

n

n

v t

t

v t

F t x v

F

v

a

a t

t

t

m

m

+ ∆ −

=

=

=

=

=

.

 

Otrzymujemy st d:

 

1

( ,

,

)

(

)

( )

.

def

n

n

n

n

n

n

n

n

F t x v

F

v

v t

t

v t

t

v

t

m

m

+

=

+ ∆ =

+

∆ = +

(1)

 

Mamy równie :

 

1

,

1

,

1

(

)

( )

,

def

n

n

n

n n

n

n n

x

x t

t

x t

v

t

x

v

t

+

+

+

=

+ ∆ =

+

∆ = +

 

gdzie 

,

1

n n

v

+

to przybli ona pr dko   rednia w przedziale czasu [n· t, (n+1)· t]:

 

,

1

(

)

( )

2

n

n

n n

v t

t

v t

v

+

+ ∆ +

=

.

 

Nale y sprawdzi ,  e:

 

2

2

1

( ,

,

)

1

1

(

)

( )

( )

.

2

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

F t x v

F

x

x t

t

x t

v t

t

t

x

v

t

t

m

m

+

=

+ ∆ =

+

∆ +

∆ = + ∆ +

 . 

(2)

 

Jak wida , je li podane s  warunki pocz tkowe w chwili t

0

 = 0, tj. warto ci x

0

 = x(0) i v

0

 = 

v(0), a tak e znaj c posta  F, mo na iteracyjnie wyliczy  x i v w kolejnych chwilach czasu, 
korzystaj c z równa  (1) i (2). Wygodnie jest na przykład skorzysta  z arkusza 
kalkulacyjnego i skonstruowa  tabel , w której b d  wyliczane x(t

n

) i v(t

n

), dla kolejnych 

chwil t

n

W zadaniach tego typu należy zwrócić szczególną uwagę na znaki przy 

prędkości, sile oraz przyspieszeniu!  
 
Zadania 13, 14 i 15 s  przeznaczone dla wszystkich grup. Pozostałe zadania s  przydzielone 
dla poszczególnych grup według nast puj cego klucza: 

• 

Grupy poniedziałkowe – zadania 1, 4, 7,10. 

• 

Grupy czwartkowe – zadania 2, 5, 8, 11. 

• 

Grupy pi tkowe – zadania 3, 6, 9, 12. 

  

Prof. dr hab. Jerzy Konior 
Dr Bartłomiej Głowacz 
Dr Andrzej Odrzywołek 
Dr Jakub Prauzner-Bechcicki 
Dr Aleksandra Wro ska