Malý Jurko si rád púšťa svoju kačičku v záchode[^1], prípadne robí aj iné neštandardné veci. Okrem toho sa občas hrá aj s autíčkami. Ako tak bol raz rozložený na podlahe svojej izby medzi desiatkami autíčok, zobral jedno do ruky a prešiel ním po dlážke tak, že sa jeho kolieska roztočili uhlovou rýchlosťou $\omega$. Potom si do druhej ruky zobral druhé autíčko, ktoré malo rovnaké kolieska, a bez toho, že by ich podobným spôsobom roztočil, k nim pritlačil kolieska prvého autíčka.
Kolieska sa o seba treli, až po istom čase prestali medzi sebou prešmykovať. Za aký čas tento stav nastal a v akých uhlových rýchlostiach sa kolieska ustálili, ak Jurko tlačil silou $F$ a koeficient trenia medzi kolieskami bol $f$?
Predstavme si naše kolieska ako dva identické valce s polomerom $r$ a momentom zotrvačnosti $I=\frac{1}{2}mr^{2}$, z ktorých jeden je spočiatku nehybný, a druhý sa točí uhlovou rýchlosťou $\omega$ okolo vlastnej osi. Následne pritlačíme silou $F$ druhý na prvý, čím medzi nimi vzniká trecia sila $F_{t}=fF$.
Moment sily je tvorený iba trecou silou, keďže sila $F$ je rovnobežná s $r$. Teda $M=rfF$ a pôsobí proti smeru rotácie valca. Zároveň je druhý rovnakým momentom zrýchľovaný.
Pre rotačný pohyb valca okolo jeho osi platí $$M= I \epsilon \text{.}$$ Keďže moment sily $M$ a moment zotrvačnosti $I$ sú konštantné, tak uhlové zrýchlenie $\epsilon$ musí byť tiež. To znamená, že o koľko prvý valec zrýchli, druhý spomalí. Kolieska prestanú prešmykovať vtedy, keď sa ich uhlové rýchlosti vyrovnajú, a to nastane, keď sa ustália na uhlovej rýchlosti $\frac{\omega}{2}$.
Prenásobíme pohybovú rovnicu časom $t$, za ktorý prestane prešmykovať a upravíme $$Mt= I \epsilon t=I \frac{\omega}{2} \text{.}$$ Nakoniec vyjadríme $t$, a po dosadení získavame výsledný čas $$t=\frac{I \omega}{2M}=\frac{mr \omega}{4fF}\text{.}$$
Teda za čas $t=\frac{mr \omega}{4fF}$ od pritlačenia sa kolieska ustália na rýchlosti $\frac{\omega}{2}$.
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