Készítsünk rakétát!
Magunk is kiszámíthatjuk mekkora erő szükséges a mozgatásához
Erre a kérdésre mindenki tudja a választ
Akár egy rakétát,
akár egy kézikocsit akarunk mozgásba hozni, mindkét esetben erőt
kell kifejteni. Sokkal könnyebb egy kézikocsi mozgatása közben felfedezni egyet-mást,
amit majd alkalmazhatunk akkor, ha a rakétát akarjuk bizonyos sebességre
felgyorsítani. Ezért kiskocsival kezdjük.
Képzeljük el, hogy itt van előttünk egy kézikocsi kövekkel megrakva. Ha a kocsit
húzni vagy tolni akarjuk, egyszóval mozgásba akarjuk hozni, akkor bizonyos nagyságú
erőt kell kifejtenünk
(ábra).
Mekkora erővel húzzuk a kocsit? - A rúgót 20 kg (kb. 200 N) súlyerő nyújtja meg annyira, amennyire a kocsi húzása közben megnyúlik. Ezért a húzóerő 20 kilogrammsúly (kb. 200 N)
Hogyan mérhetjük meg a kocsi mozgatása közben kifejtett erőt?
Kezünk és a kocsi közé egy erős rugót teszünk. Ha nagyobb erővel
húzzuk a kocsit, a rugó jobban megnyúlik. Ha kisebb erővel
húzzuk, akkor kevésbé nyúlik meg. Tegyük fel, hogy a rugó 10 centiméterrel nyúlik
meg. Mekkora a húzóerő?
Ezt így tudhadjuk meg: rugót felfüggesztjük, és az alsó végére egyre több súlyt
akasztunk, amíg a megnyúlás 10 cm lesz. Tegyük fel, hogy 20 kg nyújtja meg a
rugót 10 cm-rel, akko a kocsi húzása közben 20 kilogrammsúly
(kgs) (kb. 200 N) erőt
fejtettünk ki.
Hogyan mérnénk meg az erőt,
ha a kocsit tolnánk?
Ugyanúgy, mint az előbb. Toláskor a kocsi és a kezünk közöt levő rugó összenyomódik.
Megnéznénk, hogy hány kilogramm súlyt
kellene a rugóra ráhelyezni, hogy annyira nyomódjék össze, mint a kocsi tolása
közben.
Ilyen rugós erőmérővel megmérhetnénk azt is, hogy a ló mekkora erővel
húzza a kocsit, a traktor az ekét, a mozdony a vonatot. Sőt azt az erőt
is megmérhetnénk, amellyel két mágnes
vonzza vagy taszítja egymást, vagy azt az erőt,
ami egy huzal elszakításához szükséges.
Rugós erőmérőt bizpnyára mindenki látott már. Vele egyszerűen és könnyen mérhetünk
hózó, toló-, szakítóerőket.
Ez az, amit mindenki tud, ami mindenki előtt világos.
De most következik a második kérdés. Érdekes lesz, fontos, gyakorlati és mindennapi,
és mégsem tud rá mindenki felelni.
Mekkora a meglökött kocsi sebessége?
Tegyük fel, hogy az a kiskocsi, amely az előbb szerepelt súrlódás
nélküli golyóscsapágyakon
mozog vízszintes pályán,
és mozgását semmiféle erő
sem akadályozza. A kocsi súlya
50 kg és nyugalomban van. - Egy erős férfi meglöki a kocsit 50 kilogramsúly
(kb. 500 N) erővel
úgy, hogy ez az erő 1
másodpercig hat
a kocsira.
A kocsinak a lökés ereje bizonyos sebességet
ad, és a lökés megszűnése után a kocsi egyenletes
mozgással magától szalad tovább. Kérdes ez: mekkora a kocsi sebessége?
Bizony, ez alapvető kérdés. Az életben lépten nyomon találkozunk hasonlókkal.
például van egy 1000 tonnás (1.000.000 kilogramm
súlyú tehervonat. Azt
akarjuk, hogy 5 perc alatt elérje a 36 kilométer óránkénti sebességet.
A mozdonynak mekkora erővel
kell húznia a vonatot?
Vagy például egy rakétatervező az 1000 kg súlyú
(1000 kg tömegű) rakétának
10 másodperc alatt
1 kilométer másodpercenkénti
sebességet akar
adni. Mekkora erővel
kell hatni a rakétára?
Ha megfigyeljük, ezekben a gyakorlati esetekben szerepel a mozgatott test tömege,
a mozgató erő és az elért
sebesség. A tömeg,
az erő és a sebesség
fogalmait ismerjük, csak azt nem tudjuk milyen összefüggésben vannak egymással.
Az összefüggés nagyon egyszerű, könnyen felfedezhető és akkor a fenti feladatokat
fejből is meg tudjuk oldani.
Nagyobb erő - nagyobb sebesség
Ha a kővel tele kocsit egyik esetben egy erős férfi löki meg 1 másodpercig
ható erővel, a másik
esetben egy gyönge nő kisebb erővel,
mi lesz a különbség a kocsi mozgásában?
Természetes, hogy a másodperc
végén a kocsi sebesebben szalad akkor, ha nagyobb erő
hatott rá.
Könnyen elvégezhető kísérletek az mutatják, hogy ha kétszer, háromszor nagyobb
erő hat ugyanannyi ideig,
akkor annak a kocsinak a végső
sebessége kétszer, háromszor nagyobb lesz.
Például ha azt a kiskocsit nem 50 kilogrammos, hanem 100 kilogrammsúlynyi
(kb. 1.000 N) erővel
taszítjuk 1 másodpercig, akkor az elért végsebessége
kétszer akkora lesz, mint az első esetben.
Ugyancsak kísérletek bizonyítják azt is, hogy ha a férfi az 50 kilogrammos (kb.
500 N) erőt
nem 1 másodpercig fejti ki a kocsira, hanem 2, 3 másodpercig, akkor a kocsi
végső sebessége kétszer, háromszor akkora lesz, mint abban az esetben, ha csak
1 másodpercig hat az erő
a kocsira.
Fogalmazzuk meg ezt a tapasztalatot általánosan:
ha egy testre ugyanaz az erő kétszer, háromszor hosszabb ideig hat, akkor a test végsebessége kétszer, háromszor nagyobb lesz (ábra).
Ha egy testre ugyanaz az erő 2-szer, 3-szor annyi ideig hat, és nincs akadályozóerő, akkor a test végsebessége 2-szer, 3-szor lesz nagyobb
A kocsira vonatkozó kísérletünkben eddig változtattuk az erőt és változtattuk
az erőhatás idejét. De még van valami, amit változtatni lehet:
a kocsi tömegét. A kocsit jobban megterhelhetjük vagy pedig könnyebb kocsival
próbálkozhatunk.
Rakjunk annyi követ a kocsira, hogy súlya
(így tömege is) kétszer,
háromszor nagyobb legyen. Mi lesz az eredmény, ha kétszer, háromszor nagyobb
tömegű kocsit egy férfi
megint 1 másodpercig
ható 50 kgsúlynyi (kb.
500 N) erővel
lök meg?
Mindenki tapasztalásból tudja, hogy minél nagyobb tömegű
a kocsi, annál kisebb lesz a sebessége
a lökés után.
Ha megmérnénk a kocsi sebességét,
azt találnánk, hogy ha tömege
kétszer, háromszor nagyobb, akkor kétszer, háromszor kisebb lesz a végsebessége.
Azt szinte felesleges mondani, hogy a kocsi a lökés (az erő)
irányában gurul el.
Ezeket a valóban egyszerű tapasztalatokat most összefoglaljuk. A kocsi helyett
gondoljunk egy szabadon mozgó testre. Akkor tapasztalatainkat így foglalhatjuk
össze:
Ha a szabadon mozgó testre állandó erő
hat, akkor a test az erő
irányában mozgásba jön és sebessége
állandóan növekszik.
Ha a hatóerő kétszer,
háromszor nagyobb, akkor az elért végső sebesség
is kétszer, háromszor nagyobb lesz.
Ha az erő kétszer,
háromszor annyi ideig hat, akkor is kétszer, háromszor nagyobb lesz a végsebesség.
Ha a mozgatott test tömege
kétszer, háromszor nagyobb, akkor a sebesség
változása és így az elért végsebesség
kétszer, háromszor kisebb lesz.
Ez a törvény egyszerű összefüggést állapít meg a mozgó test tömege,
az erő és a test sebességének
megváltozása között. Ezt a törvényt a tudomány a mozgástan második
alaptörvényének nevezi. Newton
(ejtsd: Nyútn) angol tudós mondta ki 1687-ben.
A mozgás első alaptörvénye - mint tudjuk - arra az esetre vonatkozik, amikor nem hat erő. Ilyenkor a test mozgásának állapota, sebessége és haladásiránya nem változik.
Mostmár csak az van hátra, hogy törvényünket az említett gyakorlati példákra
alkalmazzuk. Első példánk:
Van egy 1000 kg súlyú rakétánk. Ennek 10 másodperc
alatt kell akkora végsebességet
adni, hogy a 10. másodperc
végén 1 km/mp = 1000 m/mp sebességgel
repüljön tovább. Mekkora erővel
kell mozgatni a rakétát?
Ahhoz, hogy ezt kiszámítsuk egy biztos tapasztalati adatból kell kiindulnunk.
Az az alap, amelyből kiindultunk, a következő (alábbi ábra).
Ha 1 kilogrammos testre 1 másodpercig 1 kilogramsúly erő (kb. 10 N) hat, akkor a test végsebessége 10 méter lesz másodpercenként.
Ezt a fontos alapesetet és annak adatait könnyű megjegyezni. Mindenütt egyes szerepel, csak az eredmény, a sebesség értéke 10.
Ha az 1 kilogrammos testre 1 kilogrammsúlynyi (kb. 10 N) mozgatóerő 1 másodpercig hat, akkor a test 10 méter másodpercenkénti sebességgel repül tova
Alkalmazzuk tudásunkat az 1000 kilogrammos rakétára
Ha egy 1 kilogramos testre 1 kg erőnek
kell hatnia, akkor 1000 kilogrammos
testre 1000 kilogramsúly
(kb. 10.000 N) erőnek
kell hatnia, hogy az első másodperc
végén sebessége
10 m/mp legyen.
Ámde nem elégszünk meg a 10 m/mp sebességgel,
hanem 1000 m/mp sebességet
akarunk a rakétának.
Ehhez a 100-szor nagyobb sebességhez
100-szor nagyobb erő
szükséges. Tehát a rakétát
100 . 1000 kgs = 100.000 kilogramsúly
(kb. 1.000.000 N) erővel
kell nyomni 1 másodpercig,
hogy sebessége 1
km/mp legyen.
De a feladat szerint nem 1 mp hanem 10 mp
alatt akarjuk a végsebességet
elérni.
Mivel 10-szer hosszabb idő
áll rendelkezésre a munka
elvégzésére azért 10-szer kisebb erőre
van szükség, tehát nem 100.000 kilogramos (kb. 1.000.000 N)
tolóerőt, hanem csak
tizedrésznyi, 10.000 kilogramosat.
Valóban sikerült fejben kiszámítani, hogy az 1000 kilogramos rakétának
10.000 kilogramm (kb. 100.000 N) tolóerő
ad 10 másodperc
alatt 1 km másodpercenkénti
sebességet.
A kiszámításhoz csupán alapesetünk ismeretére volt szükségünk, és a mozgástan
II. főtételét alkalmaztuk, egy kis következtető képességgel célhoz értünk.