Zoznam úloh

6. Vy vážené medaily

Zadanie

Adam má zbierku troch medailí z predmetových olympiád, ktoré si všetky váži rovnako, hoci majú rôzne hmotnosti $m_1 = \SI{96}{\gram}$, $m_2 = \SI{60}{\gram}$ a $m_3 = \SI{80}{\gram}$. Chce si ich preto zavesiť na stenu tak, aby viseli všetky v rovnakej výške so vzájomnými rozostupmi dĺžky $d=\SI{15}{\centi\metre}$. Má síce k dispozícii tri klince, ale len jeden motúz a nula nožníc. Namiesto podľahnutia nožnicovej lobby preto zavesil medaily na motúz, ten zviazal do vhodne dlhej slučky a tú zavesil na vhodne pribité klince. Aký dlhý kus motúzu mohol použiť, ak je celý napínaný silou $T = \SI{0.5}{\newton}$?

Uvažujte, že motúz je nehmotný, medzi ním a klincami je nulové trenie a na klince ho Adam nevie uväzovať. Rovnako ho ani nemal dôvod obmotávať medzi klincami viackrát, takže cez každý klinec bol motúz prevesený maximálne raz.

Úloha má viacero riešení, stačí ale nájsť ľubovoľné z nich.

Náčrt visiaceho motúzu s medailami na 3 klincoch Náčrt visiaceho motúzu s medailami na 3 klincoch

Najskôr sa zamyslíme, aké všetky sily pôsobia na jednotlivé medaily. Ako prvé vieme povedať, že ich výslednica musí byť nulová, lebo inak by medaily neboli v pokoji. Na medailu v prvom rade pôsobí gravitačná sila. Tá má veľkosť $F_g = mg$ kde $m$ je hmotnosť danej medaily. Táto sila pôsobí vo zvislom smere.

V druhom rade máme sily od laniek. Aj keď je medaila zavesená na jednom lanku, môžeme silu rátať od ľavej a pravej strany zvlášť, ako keby to boli dve separátne lanká. To na základe toho, že ak by sme lanko v bode závesu rozstrihli a oba konce priviazali k medaili, nemali by sme to vedieť pozorovať. Obe lanká pôsobia na medailu rovnakou silou, lebo je v nich rovnaké napätie.1 Uhly, pod ktorými lanko od medaily ide, musia byť preto rovnaké, lebo inak by nebola rovnaká velkosť horizontálnej zložky týchto síl a medaila mala zrýchlenie v horizontálnom smere (žiadna iná sila totiž v horizontálnom smere nepôsobí).

Zároveň vieme, že sučet vertikálnych zložiak musí kompenzovať gravitačnú. Z toho dostávame: $$ \alpha = \arccos\left(\frac{F_g}{2T}\right) $$ Toto je uhol, ktorí zviera lanko s pomyselnou vertikálou. Preto uhly pri medailách budú postupne $$ m_1\rightarrow \alpha = \arccos\left(\frac{m_1g}{2T}\right) \approx \ang{19.65}, m_2\rightarrow \beta = \arccos\left(\frac{m_2g}{2T}\right) \approx \ang{53.94}, m_3\rightarrow \gamma = \arccos\left(\frac{m_3g}{2T}\right) \approx \ang{38.3}. $$

Nech hmotnosti medailí su zľava doprava $m_1$, $m_2$ a $m_3$. Na obrázku sú nakreslené medaily a čiarkovanou sú znázornené polpriamky, po ktorých od nich ide špagát. Motúz musí byť v jednom kuse a cez kliniec je teda prevesený. Vieme, že na každej z týchto polpriamok musí ležať aspoň jeden klinec. Keďže sú tri (a vo všeobecnosti nemusí existovať bod, kde by sa pretínali viac ako dve polpriamky), na každej polpriamke bude práve jeden a bude práve v priesečníku s inou polpriamkou. Napríklad tak, ako je nečrtnuté na obrázku.

Náčrt zavesených medailí. Náčrt zavesených medailí.

Zadanie nešpecifikovalo rozloženie medailí. Po zamyslení však zistíme, že najľahšia medaila nemôže byť inde ako v strede, lebo inak by sa jedna z jej polpriamok nepretla so žiadnou inou. Možné su preto len dve symetrické rozloženia.

Ostáva dopočítať dĺžky $l_1$ až $l_6$. To vieme napríklad pomocou sínusovej vety. Pomocou nej dostávame $$ \begin{aligned} l_1 &= \frac{\sin(\ang{90}-\beta)}{\sin(\beta-\alpha)}d \approx \SI{0.16}{\centi\metre} \ l_2 &= \frac{\sin(\ang{90}+\alpha)}{\sin(\beta-\alpha)}d \approx \SI{0.25}{\centi\metre} \ l_3 &= \frac{\sin(\ang{90}-\gamma)}{\sin(\alpha+\gamma)}2d \approx \SI{0.28}{\centi\metre} \ l_4 &= \frac{\sin(\ang{90}-\alpha)}{\sin(\alpha+\gamma)}2d \approx \SI{0.33}{\centi\metre} \ l_5 &= \frac{\sin(\ang{90}+\gamma)}{\sin(\beta-\gamma)}d \approx \SI{0.44}{\centi\metre} \ l_6 &= \frac{\sin(\ang{90}\beta)}{\sin(\beta-\gamma)}d \approx \SI{0.33}{\centi\metre}. \end{aligned} $$

Z toho dostávame, že celková dĺžka špagátu je $l = \SI{1.78}{\metre}$.


  1. V celom nehmotnom lanku je totiž rovnaké napätie. Ak by nebolo, existoval by nejaký kúsok lanka, na ktorý by nepôsobila nulová výsledná sila a teda by sa hýbal, čo sa nemôže. 

Pre odovzdávanie sa musíš prihlásiť.