Zamień jednostki: nm, mm i cm na m, i sprawdź, czy kąty są mierzone od normalnej.
Sprawdź znaki i wiarygodność: obraz pozorny ma dᵢ < 0, zbliżające się źródło brzmi wyżej, rura zamknięta ma tylko harmoniczne nieparzyste.
2Zadania do ćwiczenia
1.KinematykaŚredni
Samolot potrzebuje do startu prędkości 180 km/h, a użyteczny pas startowy ma długość 1400 m. Jakie stałe przyspieszenie a jest potrzebne przy starcie z miejsca?
v₀ = 0v = 180 km/hs = 1400 m
a = m/s²
2.KinematykaTrudny
Piłkę rzucono pionowo w górę z prędkością 16 m/s z krawędzi dachu na wysokości 10 m nad ziemią. Pomiń opór powietrza i przyjmij g = 9,81 m/s². Po jakim czasie od rzutu piłka uderzy w ziemię? Wyznacz t.
v₀ = 16 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Zasady dynamiki NewtonaŚredni
Sanki o masie 35 kg są ciągnięte po poziomym śniegu za pomocą liny nachylonej pod kątem 30° do poziomu siłą 180 N. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,1. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz przyspieszenie a sanek.
m = 35 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Zasady dynamiki NewtonaTrudny
Dwa klocki na poziomej podłodze są połączone lekką poziomą nicią. Pozioma siła 85 N ciągnie przedni klocek o masie 11 kg; klocek o masie 1 kg jest ciągnięty za nim. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,15 dla obu klocków. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz przyspieszenie a klocków.
m1 = 1 kgm2 = 11 kgF = 85 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Rzut ukośnyŚredni
Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 25° do poziomu z płaskiego terenu. Pomiń opór powietrza. Wyznacz odległość poziomą x pokonaną, zanim piłka uderzy w ziemię.
v0 = 22 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Rzut ukośnyTrudny
Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 50° do poziomu ze szczytu klifu o wysokości 35 m. Pomiń opór powietrza. Wyznacz czas lotu t, zanim piłka uderzy w ziemię.
v0 = 10 m/sθ = 50°h = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Praca i energiaŚredni
Samochód jadący z prędkością 100 km/h po poziomej drodze gwałtownie hamuje i z zablokowanymi kołami sunie aż do zatrzymania. Współczynnik tarcia kinetycznego między oponami a drogą wynosi 0,5. Wyznacz drogę hamowania d.
v = 100 km/hμ = 0,5g = 9,81 m/s²
d = m
8.Praca i energiaTrudny
Sprężynę o sztywności 5000 N/m u podstawy zbocza nachylonego pod kątem 20° ściśnięto o 10 cm, opierając o nią klocek o masie 3 kg, i zwolniono. Współczynnik tarcia kinetycznego między klockiem a zboczem wynosi 0,3. Jak daleko d w górę zbocza od punktu zwolnienia przesunie się klocek, zanim się zatrzyma? (Pomiń krótki odcinek, na którym działa sprężyna, tzn. uwzględnij tarcie i siłę ciężkości na całej drodze d).
Pocisk o masie 15 kg lecący poziomo z prędkością 32 m/s rozpada się w wybuchu na dwa odłamki poruszające się wzdłuż tej samej prostej. Odłamek o masie 9 kg leci dalej do przodu z prędkością 67 m/s. Wyznacz prędkość v′2 odłamka o masie 6 kg (dodatnią w pierwotnym kierunku).
M = 15 kgu = 32 m/sm1 = 9 kgv′1 = 67 m/sm2 = 6 kg
v′2 = m/s
10.Pęd i zderzeniaTrudny
Pocisk o masie 15 g zostaje wystrzelony poziomo w klocek o masie 1,5 kg zawieszony na lekkich niciach o długości 0,8 m i pozostaje w nim. Nici wychylają się maksymalnie o kąt 25° od pionu. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz prędkość v pocisku przed uderzeniem.
m = 15 gM = 1,5 kgL = 0,8 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Parcie hydrostatyczneŚredni
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 3 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 0,5 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1,5 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (gliceryna), z górną krawędzią 4 m pod powierzchnią. Wyznacz głębokość ycp środka parcia pod powierzchnią.
Woda wypływa z dużego otwartego zbiornika przez otwór o ostrej krawędzi i średnicy 50 mm. Poziom wody utrzymuje się 1 m nad otworem, a współczynnik wypływu wynosi 0,63. Wyznacz natężenie przepływu Q. Przyjmij g = 9,81 m/s².
d = 50 mmh = 1 mCd = 0,63g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Ciągłość i BernoulliTrudny
Pozioma zwężka Venturiego (wlot 200 mm, gardziel 100 mm) przepuszcza wodę. Rtęciowy manometr U-rurkowy podłączony między wlotem a gardzielą pokazuje różnicę poziomów 400 mm. Współczynnik przepływu wynosi 0,98. Wyznacz natężenie przepływu Q. Przyjmij ρ = 1000 kg/m³ dla wody, 13 600 kg/m³ dla rtęci i g = 9,81 m/s².
Silnik cieplny pracuje między zbiornikiem gorącym o temperaturze 450 °C a zbiornikiem zimnym o temperaturze 10 °C. Pobiera 4100 kJ ciepła. Wyznacz największą pracę Wmax, jaką mógłby wykonać.
TH = 450 °CTL = 10 °CQH = 4100 kJ
Wmax = kJ
18.Silniki cieplne i chłodziarkiTrudny
Pompa ciepła dostarcza 14 kW ciepła do instalacji grzewczej o temperaturze 20 °C, pobierając ciepło ze źródła o temperaturze 5 °C. Jej rzeczywisty COP wynosi 45 % COP Carnota między tymi temperaturami. Wyznacz pobieraną przez nią moc elektryczną Ẇ.
TH = 20 °CTL = 5 °CηII = 45%Q̇H = 14 kW
Ẇ = kW
19.Fale, dźwięk i optykaŚredni
Przedmiot stoi 10 cm przed cienką soczewką (typ: skupiająca) o ogniskowej 25 cm. Znajdź powiększenie m (ujemne dla obrazu odwróconego).
do = 10 cmf = 25 cm
m =
20.Fale, dźwięk i optykaTrudny
Światło o długości fali 589 nm przechodzi przez pojedynczą szczelinę o szerokości 0,15 mm. Znajdź szerokość w środkowego jasnego maksimum na ekranie w odległości 2 m (między pierwszymi ciemnymi prążkami po obu stronach).
λ = 589 nma = 0,15 mmL = 2 m
w = mm
3Roztwory
1.Kinematyka
Odpowiedź: a = 0,8929 m/s²
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Jednostki
v = 180/3,6 = 50 m/s
Przyspieszenie
a = v²/(2s) = 50²/(2·1400) = 0,8929 m/s²
Odpowiedź
a = 0,8929 m/s²
2.Kinematyka
Odpowiedź: t = 3,799 s
Ruch ze stałym przyspieszeniem: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² i v² = v₀² + 2·a·s. Wybierz równanie, które zawiera trzy znane wielkości i tę szukaną, i trzymaj się znaków zgodnych z jednym kierunkiem dodatnim.
Równanie ruchu
Kierunek w górę jest dodatni, a ziemia leży h₀ poniżej punktu startu.
−10 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 10 = 0
Rozwiąż równanie kwadratowe
Sens fizyczny ma tylko dodatni pierwiastek.
t = (16 + √(16² + 2·9,81·10))/9,81 = 3,799 s
Odpowiedź
t = 3,799 s
3.Zasady dynamiki Newtona
Odpowiedź: a = 3,73 m/s²
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Siła nacisku
N = m·g − F·sin θ = 343,4 − 180·sin 30° = 253,4 N
Siły poziome
m·a = F·cos θ − μ·N = 155,9 − 25,34
a = 130,5/35 = 3,73 m/s²
Odpowiedź
a = 3,73 m/s²
4.Zasady dynamiki Newtona
Odpowiedź: a = 5,612 m/s²
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,66 + √(58,68 + 686,7))/9,81 = 3,564 s
Odpowiedź
t = 3,564 s
7.Praca i energia
Odpowiedź: d = 78,65 m
Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).
Prędkość w jednostkach podstawowych
v = 100/3,6 = 27,78 m/s
Bilans energii
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 27,78²/(2·0,5·9,81) = 78,65 m
Odpowiedź
d = 78,65 m
Podwojenie prędkości wydłuża drogę hamowania czterokrotnie.
8.Praca i energia
Odpowiedź: d = 1,361 m
Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).
Energia sprężyny
x = 10 cm = 0,1 m
½kx² = ½·5000·0,1² = 25 J
Bilans energii wzdłuż zbocza
m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 25/(29,43·(0,342 + 0,3·0,9397)) = 1,361 m
Odpowiedź
d = 1,361 m
9.Pęd i zderzenia
Odpowiedź: v′2 = −20,5 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Pęd przed
p = M·u = 15·32 = 480 kg·m/s
Pęd po
480 = 9·67 + 6·v′2
v′2 = (480 − 603)/6 = −20,5 m/s
Odpowiedź
v′2 = −20,5 m/s
Znak minus oznacza, że drugi odłamek leci do tyłu.
10.Pęd i zderzenia
Odpowiedź: v = 122,5 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Wzniesienie klocka
h = L·(1 − cos θ) = 0,8·(1 − cos 25°) = 0,07495 m
Prędkość po uderzeniu
V = √(2·9,81·0,07495) = 1,213 m/s
Zderzenie
v = (m + M)·V/m = 1,515·1,213/0,015 = 122,5 m/s
Odpowiedź
v = 122,5 m/s
11.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 128,8 kN
Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.
Głębokość środka ciężkości i pole
yc = d + H/2 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·7,5 = 128,8 kN
Odpowiedź
F = 128,8 kN
12.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: ycp = 4,519 m
Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.
Głębokość środka ciężkości i pole
yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4,5·1,5 = 83,43 kN
Środek parcia
Ciśnienie rośnie z głębokością, więc wypadkowa działa poniżej środka ciężkości.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Idealna prędkość strumienia
√(2gh) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s
Rzeczywiste natężenie przepływu
Współczynnik wypływu uwzględnia kontrakcję strumienia i tarcie na krawędzi.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Różnica ciśnień z manometru
Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,4 = 49442 Pa
Prędkość w gardzieli
Równanie ciągłości i równanie Bernoulliego razem dają idealną prędkość w gardzieli.
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = 260/32 = 8,125 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
Objętość
V = nRT/P = 8,125·8,314·288,1/150 = 129,8 L
Odpowiedź
V = 129,8 L
16.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 6,328 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 283,1 K, T2 = 403,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/450)·(403,1/283,1) = 6,328 L
Odpowiedź
V2 = 6,328 L
17.Silniki cieplne i chłodziarki
Odpowiedź: Wmax = 2495 kJ
Ograniczenia z drugiej zasady: żaden obieg pracujący między zbiornikami o temperaturach bezwzględnych TH i TL nie przewyższy obiegu odwracalnego (Carnota): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) i COPHP,max = TH/(TH − TL). Energia jest zawsze zachowana: QH = W + QL.
Temperatury bezwzględne
TH = 450 + 273,15 = 723,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
Sprawność Carnota
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 283,1/723,1 = 60,84 %
Maksymalna praca
Wmax = ηmax·QH = 0,6084·4100 = 2495 kJ
Odpowiedź
Wmax = 2495 kJ
18.Silniki cieplne i chłodziarki
Odpowiedź: Ẇ = 1,592 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Temperatury bezwzględne
TH = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = 5 + 273,15 = 278,1 K
COP Carnota i rzeczywisty
COPmax = 293,1/(293,1 − 278,1) = 19,54
COP = 0,45·19,54 = 8,794
Moc pobierana
Ẇ = Q̇H/COP = 14/8,794 = 1,592 kW
Odpowiedź
Ẇ = 1,592 kW
19.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: m = 1,667
Optyka geometryczna: na granicy ośrodków n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (prawo Snelliusa), kąty mierzy się od normalnej, a n = c/v. Przy wejściu do wolniejszego ośrodka promień załamuje się ku normalnej. Przy przejściu z ośrodka gęstszego (n₁ > n₂), powyżej kąta granicznego θc = arcsin(n₂/n₁), całe światło zostaje odbite: całkowite wewnętrzne odbicie. Cienkie soczewki i zwierciadła sferyczne spełniają 1/f = 1/do + 1/di z powiększeniem m = −di/do. Konwencja znaków: f > 0 dla soczewki skupiającej i zwierciadła wklęsłego (f = R/2), f < 0 dla soczewki rozpraszającej i zwierciadła wypukłego; di > 0 dla obrazu rzeczywistego, di < 0 dla pozornego, a m < 0 dla obrazu odwróconego.
Równanie cienkiej soczewki
1/di = 1/f − 1/do = 1/25 − 1/10
di = −16,67 cm
Powiększenie
m = −di/do = −(−16,67)/10 = 1,667
Odpowiedź
m = 1,667
20.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: w = 15,71 mm
Interferencja i dyfrakcja: światło z dwóch szczelin odległych o d dociera do punktu na ekranie z różnicą dróg d·sin θ. Jasne prążki pojawiają się tam, gdzie d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Dla ekranu w odległości L ≫ d m-ty jasny prążek leży w y = mλL/d, a odstęp między prążkami wynosi Δy = λL/d. Siatka z N liniami na milimetr ma d = 1/N i ostre maksima dla d·sin θ = mλ; ponieważ sin θ ≤ 1, najwyższy rząd to największa liczba całkowita m ≤ d/λ. Pojedyncza szczelina o szerokości a ma ciemne prążki dla a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …