Hmotný bod s krycím menom Blcha musí vyskákať dvanásť schodov, každý výšky i šírky $h$. Kvôli minimalizácii zanechaných stôp skáče vždy z okraja na okraj (okraj je tá časť schodu najviac trčiaca do voľného priestoru), pričom sily jej stačia na dva módy pohybu: buď bude schody brať bezpečne po jednom, alebo nedočkavo až po dvoch. A keďže je poriadne lenivá, skáče tak, aby na to vždy potrebovala minimum energie. Ktorý z týchto dvoch spôsobov výstupu je energeticky výhodnejší? A koľko energie ju stojí?
Stanovme si nulovú hladinu potenciálnej energie vo výške, v ktorej sa nachádza blcha. Pred skokom nemá žiadnu energiu. Energia, ktorú musí blcha vyvinúť na jeden skok, je $E = \frac{1}{2}mv^{2}$. Hľadáme minimálne $E$ potrebné na doskočenie na okraj ďalšieho schodu, lebo naša blcha je lenivá a chce minúť minimum energie. Hmotnosť má konštantnú, teda hľadáme minimálne $v^{2}$.
Uvažujme, že blcha skáče pod uhlom $\alpha$. Napíšme si pohybové rovnice vo vodorovnom a zvislom smere:
$$v\cos(\alpha)t = h\text{,}$$ $$v\sin(\alpha)t - \frac{gt^{2}}{2} = h\text{.}$$
Vyjadrime si z prvej rovnice $t$: $$t = \frac{h}{v\cos(\alpha)}\text{.}$$
Dosaďme za $t$ do druhej rovnice a upravíme: $$h\frac{\sin(\alpha)}{\cos(\alpha)} - \frac{gh^{2}}{2v^{2}cos^{2}(\alpha)} = h\text{,}$$ $$\sin(\alpha) - \cos(\alpha) = \frac{gh}{2v^{2}cos(\alpha)}\text{,}$$ $$\sin(\alpha)\cos(\alpha) - \cos^{2}(\alpha)= \frac{gh}{2v^{2}}\text{.}$$
Nakoniec si vyjadríme $v^{2}$: $$v^{2} = \frac{gh}{2}\frac{1}{\sin(\alpha)\cos(\alpha) - \cos^{2}(\alpha)}\text{.}$$
Keďže $g$ a $h$ sú konštanty, tak pre minimálne $v^{2}$ musíme nájsť maximum funkcie $\sin(\alpha)\cos(\alpha) - \cos^{2}(\alpha)$ na intervale $\left(\ang{0};\ang{90}\right)$. Maximum môžeme nájsť napríklad graficky.
Figure 1: Vykreslenie funkcie
Z grafu vidíme, že funkcia nadobúda maximum pri $\alpha=\ang{67.5}$, a že pri $\ang{45}$ a menších uhloch je nemožné doskočiť na okraj. Minimálna energia na jeden skok je $$ E = \frac{mgh}{4}\frac{1}{\sin(\ang{67.5})\cos(\ang{67.5}) - \cos^{2}(\ang{67.5})}. $$
Ako môžeme vidieť, energia závisí jedine od výšky, a to lineárne. Takže na dva skoky o jeden schod blcha spotrebuje rovnako veľa energie ako na jeden skok o dva schody. Teda ani jeden spôsob skákania nie je výhodnejší, než ten druhý.
Je jedno akým spôsobom blcha skáče, takže na vyskákanie celého schodiska musí spraviť napríklad 12 skokov o jeden schod. Celková energia teda bude $$ E_{c} = \frac{3mgh}{\sin(\ang{67.5})\cos(\ang{67.5}) - \cos^{2}(\ang{67.5})}. $$
Fyzikálny korešpondenčný seminár zastrešuje občianske združenie Trojsten.
Trojsten, o.z.
FMFI UK, Mlynská dolina
842 48 Bratislava
Kategória pre makačov
Tímová fyzikálna súťaž pre stredoškolákov
Intenzívny fyzikálny zážitok v lete