Logo strony doKwadratu

PRAWO HOOKE'A - ZADANIA

Zadanie 1
Ciało o masie \(\displaystyle m = 2\, \text{kg}\) spada swobodnie z wysokości \(\displaystyle h = 0,4\, \text{m}\) na pionowo ustawioną sprężynę o współczynniku sprężystości \(\displaystyle k = 1960\, \frac{\text{N}}{\text{m}}\). Oblicz maksymalną zmianę długości sprężyny \(\displaystyle x\). Przyjmij \(\displaystyle g = 9,8\, \frac{\text{m}}{\text{s}^2}\).
Dane i stałe
\(\displaystyle m=2 \,\, kg\) - masa ciała
\(\displaystyle h=0,4 \,\, m\) - wysokość nad sprężyną
\( k=1960 \,\, \frac{N}{m}\) - współczynnik sprężystości sprężyny
\( g=9,8 \,\, \frac{m}{s^2}\) - przyspieszenie ziemskie
Szukane
\(\displaystyle x\) - maksymalna zmiana długości sprężyny
Analiza fizyczna

W chwili maksymalnego ściśnięcia sprężyny ciało zatrzymuje się na ułamek sekundy. Jego energia kinetyczna jest wtedy równa zeru.

Energia potencjalna grawitacji utracona przez ciało zamienia się w energię potencjalną sprężystości zgromadzoną w sprężynie.

Ciało pokonuje drogę równą nie tylko wysokości \(\displaystyle h\), ale również dodatkowo ugina sprężynę o \(\displaystyle x\).

Całkowity spadek wysokości wynosi więc:

\[ \displaystyle h+x \]

Dlatego utracona energia potencjalna grawitacji jest równa:

\[ \displaystyle E_{pg}=mg(h+x) \]

Natomiast energia zgromadzona w sprężynie wynosi:

\[ \displaystyle E_{ps}=\frac{kx^2}{2} \]

Korzystając z zasady zachowania energii otrzymujemy:

\[ \displaystyle mg(h+x)=\frac{kx^2}{2} \]

Po przekształceniu otrzymujemy równanie kwadratowe:

\[ \displaystyle \frac{k}{2}x^2-mgx-mgh=0 \]
Obliczenia

Podstawiamy wartości:

\[ 980 x^2 - (2 \cdot 9,8) x - (2 \cdot 9,8 \cdot 0,4) = 0 \] \[ 980 x^2 - 19,6 x - 7,84 = 0 \]

Podzielmy całe równanie przez \(\displaystyle 19,6\)

Otrzymujemy bardzo proste równanie:

\[ 50 x^2 - x - 0,4 = 0 \]

Obliczamy deltę:

\[ \Delta = (-1)^2 - 4 \cdot 50 \cdot (-0,4) = 1 + 80 = 81 \] \[ \sqrt{\Delta} = 9 \]

Obliczamy pierwiastki równania:

\[ \displaystyle x_1=\frac{1+9}{100}=0,1m \] \[ \displaystyle x_2=\frac{1-9}{100}=-0,08m \]

Odrzucamy rozwiązanie ujemne, ponieważ długość odkształcenia sprężyny nie może być ujemna.

Odpowiedź
Maksymalna zmiana długości sprężyny wynosi \(\displaystyle x \approx 0,1\, \text{m}\) (czyli \(\displaystyle 10\, \text{cm}\)).