Emelt szintű érettségi 2008. november 3., 11. tesztfeladat

Egy testet felfelé lökünk egy súrlódásos lejtőn, majd hagyjuk visszacsúszni az eredeti helyére. Melyik útszakasz megtétele tart tovább?

 A)  A felfelé mozgás tart tovább. 

 B)  A lefelé mozgás tart tovább.

 C)  Egyenlő ideig tart a két útszakasz megtétele. 

 A)  A felfelé mozgás tart tovább. 

 B)  A lefelé mozgás tart tovább. 

 C)  Egyenlő ideig tart a két útszakasz megtétele. 

A test mozgása két szakaszra bontható: felfelé menetre illetve lefelé menetre. Ezek a szakaszok több szempontból is hasonlók:

  • mindkét szakaszon ugyanakkora a két megtett út, hiszen hagyjuk visszacsúszni a kiindulási helyére
  • mindkét szakaszon mindvégig egyenletesen gyorsuló a test mozgása
  • mindkét szakaszon az egyik szélső sebesség nulla (felfelé menet a végsebesség nulla, lefelé menet a kezdősebesség nulla)
  • emiatt mindkét szakasz \(v\thinspace \unicode{x2013} \thinspace t\) sebesség-idő diagramja derékszögű háromszög

Vajon a test gyorsulása (illetve annak nagysága) azonos a két szakaszon? Ha esetleg igen, akkor a két szakasz időtartama is azonos kell legyen, hisz a sebesség-idő diagramon a megtett utak csak így lesznek azonosak:  
 

Gondoljuk végig a gyorsulásokat! Egy test \(a\) gyorsulását Newton II. törvénye szerint a testre ható erők eredője határozza meg, valamint a test \(m\) tömege:

\[\Sigma F=m\cdot a\]

Mivel a testt tömege a két szakaszon azonos, a gyorsulás csak az eredő erő miatt lehet különböző. Készítsünk ábrát, és rajzoljuk be először a testre ható azon erőket, amelyek mindkét szakaszon hatnak, és egyből emeljük is ki (kék színnel) a lejtőirányú mozgás gyorsulását (lejtővel párhuzamos gyorsulást) meghatározó lejtőirányú, lejtővel párhuzamos erőket, komponenseket!  
 

Azt látjuk, hogy a nehézségi erő lejtővel párhuzamos erőkomponens egyedül a nehézségi erő lejtővel párhuzamos része.

Ezeken túl a testre hat még a csúszási súrlódási erő, de ez bonyolultabb, mivel mindig a test relatív sebességével ellentétes irányú. Nézzük először a felfelé menő szakaszt:  
 

Azt látjuk, hogy felfelé menet a csúszási súrlódási erő lefelé hat, vagyis "összedolgozik" a ehézségi erő lejtővel párhuzamos komponensével, azaz egymás hatását "segítik".

Nézzük most a csúszási súrlódási erőt felfelé menet:  
 

Azt látjuk, hogy lefelé menet a csúszási súrlódási erő felfelé hat, vagyis "ellene dolgozik" a nehézségi erő lejtővel párhuzamos komponensével, azaz egymás hatását "gyengítik".

Ezek alapján a test lejtőirányú gyorsulásának nagysága felfelé menet nagyobb lesz, mint lefelé, hiszen felfelé összeadódik a két erő, lefelé viszont kivonódik az egyik a másikból. Ábrázoljuk nagy vonalakban ezt a felismerést \(v\thinspace \unicode{x2013} \thinspace t\) sebesség-idő diagramon:  
 

Tehát a test a lefelé szakaszon kisebb gyorsulással csak úgy tud ugyanakkora utat megtenni, ha több ideig tart a gyorsuló mozgása. Vagyis a visszacsúszás biztosan hosszabb ideig fog tartani, mint a felfelé menet.