Soru

Zorluk: ZorMerkezcil İvme ve Merkezcil Kuvvet

Çembersel hareket yapan cisimlerin yörüngelerini korumalarını sağlayan merkezcil kuvvet ve merkezcil ivme kavramları farklı fiziksel sistemlerde farklı şekillerde karşım��za çıkar. Aşağıdaki çembersel hareket durumlarını, bu durumlara karşılık gelen doğru fiziksel veya matematiksel ifadelerle eşleştiriniz.

  • Sürtünmesiz ve θ\theta eğim açısına sahip yatay virajda, rr yarıçaplı dairesel yörüngede güvenle dönebilen bir aracın merkezcil ivmesi (aca_c)gtan⁡θg \tan \theta
  • Sabit ω\omega açısal hızıyla dönen düşey silindirin iç yüzeyinde kaymadan dengede kalan mm kütleli cisme silindir yüzeyi tarafından uygulanan normal kuvvet (NN)mω2rm \omega^2 r
  • Yatay sürtünmeli bir tablada merkezden rr uzaklıkta kaymadan dönen cismin yörünge yarıçapı 2 katına çıkarılıp açısal hızı yarıya düşürülürse, merkezcil ivmesinin ilk değerine (aca_c) göre oranı (ac′/aca_c'/a_c)12\frac{1}{2}
  • LL uzunluğundaki ipin ucunda düşey düzlemde çembersel hareket yapan cismin, yörüngenin en üst noktasından ip gerilmesi sıfır olacak şekilde geçebildiği andaki merkezcil ivmesi (amina_{min})gg

Cevap

Birinci durum yer çekimi ivmesi ile eğim açısının tanjantının çarpımına (gtan⁡θg \tan\theta), ikinci durum silindirin tepki kuvveti olan mω2rm\omega^2 r ifadesine, üçüncü durum ivmelerin oranını belirten 12\frac{1}{2} değerine, dördüncü durum ise yer çekimi ivmesine (gg) karşılık gelir.
Verilen fiziksel durumlarda merkezcil ivme ve merkezcil kuvvet denklemleri Newton'ın ikinci hareket yasası uygulanarak elde edilmiştir. Sürtünmesiz virajda aracın ivmesi gtan⁡θg \tan\theta bağıntısıyla bulunur. Dönen silindirde yüzeyin tepki kuvveti doğrudan merkezcil kuvvete eşittir (mω2rm\omega^2 r). Tablada yapılan değişiklikler sonucunda ivme yarıya iner (12\frac{1}{2}). Düşey düzlemin en üst noktasında limit durumda ip gerilmesi sıfır olduğundan ivme yer çekimi ivmesine (gg) eşit olur.

Adım Adım Çözüm

1
Eğimli virajdaki aracın hareketini analiz etme.
ac=gtan⁡θa_c = g \tan\theta
Sürtünmesiz eğimli virajda araca etki eden kuvvetler yer çekimi (mgmg) ve normal kuvvettir (NN). Bu kuvvetlerin yatay bileşeni merkezcil kuvvettir: Nsin⁡θ=macN \sin\theta = m a_c. Düşeyde denge olduğundan Ncos⁡θ=mgN \cos\theta = mg yazılır. Denklemler oranlandığında tan⁡θ=acg  ⟹  ac=gtan⁡θ\tan\theta = \frac{a_c}{g} \implies a_c = g \tan\theta bulunur.
2
Dönen silindir içindeki cismin yatay dengesini inceleme.
N=mω2rN = m\omega^2 r
Düşey silindirin iç yüzeyindeki cismin aşağı kaymasını engelleyen kuvvet sürtünme kuvvetidir (fs=mgf_s = mg). Yatay doğrultuda cismin dairesel hareket yapmasını sağlayan merkezcil kuvvet ise silindir yüzeyinin cisme uyguladığı normal kuvvettir (NN). Dolayısıyla N=Fmerkezcil=mω2rN = F_{merkezcil} = m\omega^2 r elde edilir.
3
Yarıçap ve açısal hız değişiminin merkezcil ivme üzerindeki etkisini hesaplama.
ac′=ac2a_c' = \frac{a_c}{2}
Merkezcil ivme ac=ω2ra_c = \omega^2 r bağıntısıyla bulunur. Açısal hız yarıya indirilip yarıçap iki katına çıkarıldığında yeni ivme ac′=(ω2)2⋅2r=ω24⋅2r=ω2r2a_c' = (\frac{\omega}{2})^2 \cdot 2r = \frac{\omega^2}{4} \cdot 2r = \frac{\omega^2 r}{2} olur. Buradan oran ac′ac=12\frac{a_c'}{a_c} = \frac{1}{2} olarak bulunur.
4
Düşey düzlemde en üst noktadaki limit durumu analiz etme.
amin=ga_{min} = g
Düşey düzlemde en üst noktadan geçerken merkezcil kuvvet yer çekimi kuvveti ile ip gerilmesinin toplamıdır (mg+T=macmg + T = m a_c). Cismin düşmeden geçebileceği en küçük hız durumunda ipteki gerilme sıfıra yaklaşır (T=0T = 0). Bu durumda merkezcil ivme yer çekimi ivmesine eşit olur (amin=ga_{min} = g).

Anahtar Kavram

Farklı fiziksel sistemlerde merkezcil kuvvetin ve merkezcil ivmenin kaynağı ile matematiksel ifadelerinin belirlenmesi.
Tahmini Süre:2m 0s
Bu soruyu puanla