Fizyka Egzamin ARiSS 2023/2024

Ciało puszczono z gondoli balonu wznoszącego się do góry, więc ciało to ma prędkość początkową w chwili puszczenia zwróconą pionowo w górę. Ponieważ działa na to ciało siłą ciężkości zwrócona pionowo w dół to najpierw oddala się od ziemi ruchem jednostajnie opóźnionym, a po zatrzymaniu zbliża się do niej ruchem jednostajnie przyspieszonym.

Samochód rusza z miejsca, więc jego prędkość na początku wynosi zero i dopiero zaczyna rosnąć. Skoro wartość prędkości samochodu jest mniejsza od prędkości roweru to odległość między pojazdami będzie rosła. Z chwilą, gdy prędkość samochodu przekroczy prędkość rowerzysty, to odległość między pojazdami będzie niestety malała i samochód dogoni rowerzystę.

Siła jest miarą wszelkich oddziaływań. A oddziaływania mogą zmienić prędkość ciała lub spowodować jego odkształcenie. Pozostałe odpowiedzi są błędne. W pierwszej miarą bezwładności jest masa a nie siła. W drugiej zamiast pędu powinno być zmiana pędu, ale i tak dotyczy to tylko zmiany ruchu i nie jest to ogólne stwierdzenie. W trzeciej źle zinterpretowano wzór. To nie siła zależy od przyspieszenia, a przyspieszenie od siły. I znów druga zasada dynamiki jedynie stwierdza zmianę ruchu, a nie ogólną definicję siły.

Bezwładność jest to cecha wynikająca z pierwszej zasady dynamiki. Brzmi ona następująco: "Jeżeli na ciało nie działają żadne siły lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym". Ciało więc ciało usiłuje zachować stan spoczynku lub stan ruchu jednostajnego prostoliniowego. Dopiero działanie siły zewnętrznej może zmienić ten stan.

Pierwsza zasada dynamiki nazywana jest inaczej zasadą bezwładności.

Jeżeli ciągniemy powoli to na górną nitkę działa zarówno siła ciężkości jak i siła zewnętrzna. Prędzej więc zerwie się nitka górna.

Ciało jest bezwładne, czyli dąży do zachowania swojego stanu ruch. Oznacza to, że jeśli ciało spoczywa to nadal chce spoczywać, a jak się porusza, to nadal się chce poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jeżeli gwałtownie szarpniemy dolną nitkę to kulka będzie chciała spoczywać i siła i to od razu o dużej wartości będzie działać na nitkę dolną i to ona się zerwie.

Z drugiej zasady dynamiki wynika, że przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do działającej siły (im większa siłą to przyspieszenie jest większe), a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała (im większa masa to przyspieszenie jest mniejsze). Ale w pytaniu siła jest taka sama, a kulka drewniana ma mniejszą masę, ponieważ ma mniejszą gęstość. Przyspieszenie kulki drewnianej będzie więc większe.

Miarą bezwładności jest masa, więc kulka drewniana ma mniejszą bezwładność.

Wózek porusza się w obu przypadkach ruchem jednostajnie przyspieszonym. Czas ruchu zależy więc od przyspieszenia. Przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do działającej siły, a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała. Siła w obu przypadkach jest taka sama, ale w drugim przypadku jest większa masa ponieważ ciężarek też się porusza. Przyspieszenie wtedy jest mniejsze i wózek wolniej się będzie poruszał. Czas ruchu pierwszego wózka będzie więc krótszy niż drugiego.

Pęd jest to iloczyn masy i prędkości. Z wykresu wynika, że wraz ze wzrostem czasu wzrasta droga. Prędkość jest więc stała. Pęd wobec tego również jest stały.

Układ inercjalny jest to układ, w którym są spełnione zasady dynamiki. Przyspieszenie więc liczone z drugiej zasady będzie takie samo w każdym układzie inercjalnym.

Droga i prędkość w różnych układach odniesienia mogą być różne.

Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki jeżeli pierwsze ciało działa pewną siłą na drugie, to drugie działa na pierwsze siłą o tym samym kierunku, tej samej wartości, ale przeciwnym zwrocie. Gdy drugi chłopiec przywiąże swoją linę do łódki, to zmieni się tylko punkt przyłożenia, ale na drugą łódkę będzie działać taka sama siła (pierwszy chłopiec ciągnie przecież taką samą siłą jak poprzednio). Łódki będą się więc poruszać z takimi samymi prędkościami.

W sytuacjach a i b siły są przyłożone do tego samego układu, bowiem oba ciała są ze sobą związane. Następuje więc równowaga i żaglówka nie będzie się poruszać. W sytuacji c dmuchawa działa na powietrze, a więc powietrze działa również na łódkę zgodnie z trzecią zasadą dynamiki. Siły te przyłożone są do dwóch ciał nie związanych ze sobą, nie ma więc równowagi. Nastąpi ruch żaglówki. Jest to zjawisko odrzutu. Przyrost pędu wydmuchiwanego powietrza jest równy przyrostowi pędu żaglówki, co jest zgodne z zasadą zachowania pędu.

Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki marynarze działają na żaglowiec ale żaglowiec działa na marynarzy. Ale siły te są przyłożone do tego samego układu, bowiem marynarze znajdują się na żaglowcu i stanowi to jeden układ. Następuje więc równowaga i żaglówka nie będzie się poruszać.

Jeżeli siły wynikające z III zasady dynamiki przyłożone są do ciał nie związanych ze sobą, to ruch może nastąpić, chyba, że dodatkowe siły zapewniają równowagę.

Niestety zazwyczaj działają siły tarcia i oporów powietrza. Z pierwszej zasady dynamiki wynika, że aby ciało poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym to działające siły się muszą równoważyć. Wobec tego siła ciągnąca pojazd jest równa co do wartości wypadkowej wszystkich sil oporów ruchu.

Każde oddziaływanie jest wzajemne. Wynika to z trzeciej zasady dynamiki. Jeżeli jedno ciało działa na drugie to drugie działa na pierwsze siłą o tej samej wartości, tym samym kierunku, ale przeciwnym zwrocie. Siły wzajemnego oddziaływania nazywamy siłami akcji i reakcji. Siły te są przyłożone do innych ciał i dlatego nigdy bezpośrednio się nie równoważą. Równowagę mogą dopiero zapewnić dodatkowe siły.

Masa zsuwającej liny jest stała. Siła powodująca zsuwanie jest wypadkową (w tym przypadku różnicą) siły ciężkości wystającej poza stół części liny i siły tarcia liny o stół (jest ona przeciwnie zwrócona do ruchu). Ponieważ coraz więcej liny wystaje to siła ciężkości będzie rosnąć. Tarcie natomiast będzie maleć ponieważ nacisk będzie mniejszy. Wobec tego siła wypadkowa zwiększa się, a więc wzrastać będzie przyspieszenie i lina zsuwać się będzie ruchem niejednostajnie przyspieszonym (ruch jednostajnie przyspieszony następuje gdy przyspieszenie jest stałe).

Mamy tu przykład oddziaływania wzajemnego dwóch ciał: wylatujących spalin i rakiety. Korzystamy z trzeciej zasady dynamiki. Skoro rakieta działa pewną sił wyrzucając je z dysz na zewnątrz to spaliny oddziałują na rakietę siłą o tej samej wartości i kierunku ale o przeciwnym zwrocie. Siły te przyłożone są do różnych ciał więc nie równoważą się. Spaliny nabywają pęd w jedną stronę a rakieta w przeciwną. Spełniona jest zasada zachowania pędu. Takie zjawisko nazywamy zjawiskiem odrzutu.

Zgodnie z zasadą zachowania pędu w układzie izolowanym całkowity pęd układu jest wielkością stałą. Może się zmieniać pęd poszczególnych ciał, ale musi działać działać siła wewnętrzna. Chłopiec upuścił kulę, więc nie było żadnego oddziaływania. Prędkość wózka i kuli pozostanie taka sama.

Korzystamy z zasady zachowania pędu, która mówi, że w układzie izolowanym całkowity pęd układu jest wielkością stałą. Skoro pęd przed rozerwaniem jest równy zero (kula spoczywa) to po wybuchu całkowity pęd też musi być równy zero i przyrost pędu pierwszej części musi być równy przyrostowi pędu drugiej części.