Zadanie 6.6.17: Doświadczalne sprawdzanie zasady zachowania momentu pędu

Punkty
3 pkt
Dział
Bryła sztywna · Moment pędu bryły sztywnej
Trudność
Poziom trudności: średnie
Uczniowie sprawdzili zasadę zachowania momentu pędu za pomocą prostego układu doświadczalnego składającego się z plastikowej pionowej rurki, mocnej nierozciągliwej nici oraz gumki do ścierania o masie mm. Gumkę przyczepiono do końca nici, a jej wolny koniec przewleczono przez rurkę i zawieszono na nim obciążnik o ciężarze FF. Na nici zaznaczono początkową odległość gumki od rurki równą r1=rr_1 = r. Wprawiono gumkę w ruch obrotowy, tak aby wirowała w płaszczyźnie zbliżonej do poziomej w stałej odległości r1=rr_1 = r od osi rurki z częstotliwością f1f_1. Bez zatrzymywania gumki zawieszono na dolnym końcu nici dodatkowy obciążnik, wciągając nić tak, że promień okręgu, po którym wirowała gumka, zmniejszył się dwukrotnie do r2=r2r_2 = \frac{r}{2}. Przeprowadzając odpowiednie wyprowadzenie z zasady zachowania momentu pędu punktu materialnego (siła naciągu nici jest siłą dośrodkową i nie daje momentu siły względem osi pionowej), określ, jaką częstotliwość obrotów f2f_2 powinni otrzymać uczniowie w drugiej części eksperymentu w zależności od f1f_1.

Treść zadania

Uczniowie badają zasadę zachowania momentu pędu, wykorzystując gumkę do ścierania o masie m, mocną nierozciągliwą nić i plastikową pionową rurkę. Gumkę mocują na końcu nici, której wolny koniec przeprowadzają przez rurkę i obciążają ciężarem F. Początkowo gumka wiruje w płaszczyźnie zbliżonej do poziomej, w stałej odległości r_1 = r od osi rurki i z częstotliwością f_1. Nie zatrzymując jej, zawieszają na dolnym końcu nici dodatkowy obciążnik, wskutek czego promień okręgu zmniejsza się dwukrotnie do r_2 = r/2. Wyprowadź z zasady zachowania momentu pędu punktu materialnego zależność częstotliwości f_2 od f_1; siła naciągu nici jest siłą dośrodkową i nie wywiera momentu względem osi pionowej.

Odpowiedź i wynik końcowy

f2=4f1f_2 = 4 f_1 (częstotliwość obrotów wzrośnie czterokrotnie)
Ilustracja do zadaniaUkład doświadczalny do badania zachowania momentu pędu: pionowa rurka, nić, wirująca na promieniu r gumka z prędkością v, obciążnik F oraz wektor prędkości kątowej omega.ωrFmv