Fysiikan ylioppilaskoe S2008

Ratkaisu

Kirjataan lähtöarvot

m_k=5,2 \text{ kg}, \ m_t = 1,2 \text{ kg}
m​k​​=5,2 kg, m​t​​=1,2 kg

Piirretään tangon voimakuvio.

Tanko on tasapainossa etenemisen ja pyörimisen suhteen.

\text{NII } \sum \overline{F}=\overline{0}
NII ∑​F​​​=​0​​​
\sum M_A=0
∑M​A​​=0
0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m
h=0,42 \text{ m}, l=0,65 \text{ m}
h=0,42 m,l=0,65 m

Ratkaistaan kulma 

0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m
\tan \color{CornflowerBlue}\alpha=\dfrac{0,42 \text{ m}}{0,65 \text{ m}}
tanα=​0,65 m​​0,42 m​​
\color{CornflowerBlue}\alpha
α
\color{CornflowerBlue}\alpha \approx 32,869^\circ
α≈32,869​∘​​
\sum M_A=0
∑M​A​​=0
0,42 \text{ m}
0,42 m
-G_t \dfrac{l}{2} - G_k l +T_y l=0
−G​t​​​2​​l​​−G​k​​l+T​y​​l=0
T_y l=G_t \dfrac{l}{2} + G_k l
T​y​​l=G​t​​​2​​l​​+G​k​​l
T_y =\dfrac{1}{2}G_t + G_k
T​y​​=​2​​1​​G​t​​+G​k​​
T \sin \color{CornflowerBlue} \alpha =\dfrac{1}{2}G_t + G_k
Tsinα=​2​​1​​G​t​​+G​k​​
0,65 \text{ m}
0,65 m
T=\dfrac{\frac{1}{2}G_t + G_k}{\sin \color{CornflowerBlue}\alpha}
T=​sinα​​​2​​1​​G​t​​+G​k​​​​
:\sin \alpha
:sinα
:l
:l
T_y=T \sin \alpha
T​y​​=Tsinα
0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m
T=\dfrac{\frac{1}{2}G_t + G_k}{\sin \color{CornflowerBlue}\alpha}
T=​sinα​​​2​​1​​G​t​​+G​k​​​​

Lasketaan vaijerin jännitysvoiman suuruus.

T=\dfrac{\frac{1}{2}\cdot 1,2 \text{ kg} \cdot 9,81 \text{ m/s}^2 + 5,2 \text{6 kg} \cdot 9,81 \text{ m/s}^2}{\sin 32,869^\circ}
T=​sin32,869​∘​​​​​2​​1​​⋅1,2 kg⋅9,81 m/s​2​​+5,26 kg⋅9,81 m/s​2​​​​
T \approx 100 \text{ N}
T≈100 N
0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m

Tehdään voimatarkastelu x- ja y-suunnissa erikseen.

\sum \overline{F}_x=\overline{0}
∑​F​​​​x​​=​0​​​
\overline{N}_x+\overline{T}_x=\overline{0}
​N​​​​x​​+​T​​​​x​​=​0​​​
N_x - T_x =0
N​x​​−T​x​​=0
N_x =T_x
N​x​​=T​x​​
N_x =T \cos \color{CornflowerBlue}\alpha
N​x​​=Tcosα

Sovitaan suunnat ylös ja oikealle positiivisiksi.

0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m
\sum \overline{F}_y=\overline{0}
∑​F​​​​y​​=​0​​​
\overline{N}_y+\overline{T}_y+\overline{G}_t+\overline{G}_k=\overline{0}
​N​​​​y​​+​T​​​​y​​+​G​​​​t​​+​G​​​​k​​=​0​​​
N_y +T_y -G_t-G_k =0
N​y​​+T​y​​−G​t​​−G​k​​=0
N_y=G_t +G_k - T_y
N​y​​=G​t​​+G​k​​−T​y​​
N_y=G_t +G_k - T \sin \color{CornflowerBlue}\alpha
N​y​​=G​t​​+G​k​​−Tsinα
0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m
N_y=1,2 \text{ kg} \cdot 9,81 \text{ m/s}^2+5,2 \text{ kg} \cdot 9,81 \text{m/s}^2 - 104,84 \text{ N} \cdot \sin 32,869^\circ
N​y​​=1,2 kg⋅9,81 m/s​2​​+5,2 kg⋅9,81m/s​2​​−104,84 N⋅sin32,869​∘​​

Lasketaan seinän tukivoiman x- ja y-suuntaisten komponenttien suuruudet.

N_y=G_t +G_k - T \sin \color{CornflowerBlue}\alpha
N​y​​=G​t​​+G​k​​−Tsinα
N_y \approx 5,89\text{ N}
N​y​​≈5,89 N
N_x =T \cos \color{CornflowerBlue}\alpha
N​x​​=Tcosα
N_x =104,84 \text{ N} \cdot \sin 32,869^{\circ}
N​x​​=104,84 N⋅sin32,869​∘​​
N_x \approx 88,1 \text{ N}
N​x​​≈88,1 N
0,42 \text{ m}
0,42 m
0,65 \text{ m}
0,65 m

Lasketaan Pythagoraan lauseen avulla seinän tukivoiman suuruus.

N=\sqrt{N_x^2+N_y^2}
N=√​N​x​2​​+N​y​2​​​​​
N=\sqrt{(88,1 \text{ N})^2+(5,89 \text{ N})^2}
N=√​(88,1 N)​2​​+(5,89 N)​2​​​​​
N \approx 88 \text{ N}
N≈88 N

Lasketaan tangentin avulla seinän tukivoiman suunta.

\tan \color{CornflowerBlue}\beta = \dfrac{N_y}{N_x}
tanβ=​N​x​​​​N​y​​​​
\tan \color{CornflowerBlue}\beta = \dfrac{5,89 \text{ N}}{88,1 \text{ N}}
tanβ=​88,1 N​​5,89 N​​
\color{CornflowerBlue}\beta \approx 3,8^\circ
β≈3,8​∘​​

Newtonin 3. lain mukaan seinän tankoon kohdistama tukivoima on yhtä suuri kuin tangon seinään kohdistama voima, mutta vastakkaisuuntainen.

Vastaus:

Vaijerin jännitysvoiman suuruus on noin 100 N. Seinään kohdistuvan voiman suuruus on noin 88 N ja suunta poikkeaa seinän normaalista noin 3,8 astetta.

Fysiikan ylioppilaskoe S2006

Ratkaisu

Kirjataan lähtöarvot

m_1=1 \text{ kg}, \ x_1=0,32 \text{ m}
m​1​​=1 kg, x​1​​=0,32 m
m_2=2 \text{ kg}, \ x_2=?
m​2​​=2 kg, x​2​​=?

Piirretään voimakuviot tilanteista.

x_1-x_2 = 0,09 \text{ m}
x​1​​−x​2​​=0,09 m

1 kg:n ja 2 kg:n merkkien välimatka on 9,0 cm.

x_2 = x_1-0,09 \text{ m}
x​2​​=x​1​​−0,09 m
x_2 =0,32 \text{ m}-0,09 \text{ m}
x​2​​=0,32 m−0,09 m
x_2 =0,23 \text{ m}
x​2​​=0,23 m

Kalavaaka on tasapainossa pyörimisen suhteen molemmissa tilanteissa.

\sum M_A = 0
∑M​A​​=0
\color{Salmon}{G_1} x_1 - \color{Salmon}{G_p}(r-x_1)=0
G​1​​x​1​​−G​p​​(r−x​1​​)=0
\sum M_B = 0
∑M​B​​=0
\color{Salmon}{G_2} x_2 - \color{Salmon}{G_p}(r-x_2)=0
G​2​​x​2​​−G​p​​(r−x​2​​)=0
\color{Salmon}{G_1} x_1 =\color{Salmon}{G_p}(r-x_1)
G​1​​x​1​​=G​p​​(r−x​1​​)
\color{Salmon}{G_p}=\dfrac{ x_1 }{r-x_1}\color{Salmon}{G_1}
G​p​​=​r−x​1​​​​x​1​​​​G​1​​
\color{Salmon}{G_2} x_2 =\color{Salmon}{G_p}(r-x_2)
G​2​​x​2​​=G​p​​(r−x​2​​)
\color{Salmon}{G_p}=\dfrac{ x_2 }{r-x_2}\color{Salmon}{G_2}
G​p​​=​r−x​2​​​​x​2​​​​G​2​​

Kalavaa'an paino saatiin esitettyä kahdella tavalla, joten muodostetaan näistä yhtälö.

\color{Salmon}{G_p}=\dfrac{ x_1 }{r-x_1}\color{Salmon}{G_1}
G​p​​=​r−x​1​​​​x​1​​​​G​1​​
\color{Salmon}{G_p}=\dfrac{ x_2 }{r-x_2}\color{Salmon}{G_2}
G​p​​=​r−x​2​​​​x​2​​​​G​2​​
\dfrac{ x_1 }{r-x_1}\color{Salmon}{G_1}=\dfrac{ x_2 }{r-x_2}\color{Salmon}{G_2}
​r−x​1​​​​x​1​​​​G​1​​=​r−x​2​​​​x​2​​​​G​2​​
\dfrac{ x_1 }{r-x_1}m_1g=\dfrac{ x_2 }{r-x_2}m_2g
​r−x​1​​​​x​1​​​​m​1​​g=​r−x​2​​​​x​2​​​​m​2​​g
\dfrac{ x_1 }{r-x_1}m_1=\dfrac{ x_2 }{r-x_2}m_2
​r−x​1​​​​x​1​​​​m​1​​=​r−x​2​​​​x​2​​​​m​2​​
m_1x_1(r-x_2)=m_2x_2(r-x_1)
m​1​​x​1​​(r−x​2​​)=m​2​​x​2​​(r−x​1​​)
G=mg
G=mg
:g
:g
\cdot(r-x_1)(r-x_2)
⋅(r−x​1​​)(r−x​2​​)
m_1x_1(r-x_2)=m_2x_2(r-x_1)
m​1​​x​1​​(r−x​2​​)=m​2​​x​2​​(r−x​1​​)
m_1x_1r-m_1x_1x_2=m_2x_2r-m_2x_1x_2
m​1​​x​1​​r−m​1​​x​1​​x​2​​=m​2​​x​2​​r−m​2​​x​1​​x​2​​
m_1x_1r-m_2x_2r=m_1x_1x_2-m_2x_1x_2
m​1​​x​1​​r−m​2​​x​2​​r=m​1​​x​1​​x​2​​−m​2​​x​1​​x​2​​
r(m_1x_1-m_2x_2)=m_1x_1x_2-m_2x_1x_2
r(m​1​​x​1​​−m​2​​x​2​​)=m​1​​x​1​​x​2​​−m​2​​x​1​​x​2​​
r=\dfrac{m_1x_1x_2-m_2x_1x_2}{m_1x_1-m_2x_2}
r=​m​1​​x​1​​−m​2​​x​2​​​​m​1​​x​1​​x​2​​−m​2​​x​1​​x​2​​​​
:(m_1x_1-m_2x_2)
:(m​1​​x​1​​−m​2​​x​2​​)

Sijoitetaan lukuarvot

r=\dfrac{0,32 \text{ m} \cdot 0,23 \text{ m}(1 \text{ kg} -2 \text{ kg})}{1 \text{ kg} \cdot 0,32 \text{ m}-2 \text{ kg} \cdot 0,23 \text{ m}}
r=​1 kg⋅0,32 m−2 kg⋅0,23 m​​0,32 m⋅0,23 m(1 kg−2 kg)​​
r=\dfrac{x_1x_2(m_1-m_2)}{m_1x_1-m_2x_2}
r=​m​1​​x​1​​−m​2​​x​2​​​​x​1​​x​2​​(m​1​​−m​2​​)​​
\approx 0,53 \text{ m}
≈0,53 m