E 2018. máj. 22. T 7. 7624

Egy piruettező jégtáncos összehúzza magát, a tehetetlenségi nyomatékát a felére csökkenti. Hogyan változik meg eközben a forgási energiája? (A korcsolyára ható súrlódástól eltekintünk.)

 A)  A forgási energia megnő. 

 B)  A forgási energia lecsökken. 

 C)  A forgási energia állandó marad.

 A)  A forgási energia megnő. 

 B)  A forgási energia lecsökken. 

 C)  A forgási energia állandó marad.

Ha az "összehúzódás" rövid ideje alatt a korcsolya és a jég közötti erők forgatónyomatékának perdületváltoztató hatását elhanyagoljuk, akkor egyéb (külső erőtől származó) forgatónyomaték hiányában a piruettezőre érvényesül a perdületmegmaradás:

$$\Theta_0\omega_0=\Theta_1\omega_1$$

Ha a tehetetlenségi nyomaték a felére csökken, akkor a szögsebesség duplázódni fog. Mi történik ezalatt a

$$E^{\mathrm{forg}}=\frac{1}{2}\Theta \omega^2$$

forgási energiával? A kezdeti forgási energia:

$$E_0^{\mathrm{forg}}=\frac{1}{2}\Theta_0 \omega_0^2$$

Mivel a tehetetlenségi nyomaték feleződik, a szögsebesség pedig duplázódik, ezért a végső forgási energia:

$$E_1^{\mathrm{forg}}=\frac{1}{2}\Theta_1 \omega_1^2$$

$$E_1^{\mathrm{forg}}=\frac{1}{2}\frac{\Theta_0}{2}(2\omega_0)^2$$

$$E_1^{\mathrm{forg}}=\frac{1}{2}\frac{\Theta_0}{2}4\omega_0^2$$

$$E_1^{\mathrm{forg}}=2\cdot \frac{1}{2}\Theta_0 \omega_0^2$$

Vagyis a forgási energia megduplázódik.

De hogyan lehetséges ez, ha a perdülete megmaradt? Pontrendszer lendületének és perdületének megváltozását csak külső erők idézhetik elő, mert a belső erők (Newton III. törvénye alapján) páronként kioltják egymás lendület- és perdületváltoztató hatásait. Ezzel szemben egy pontrendszer összes kinetikai (mozgási) energiáját nemcsak a külső erők munkavégzései változtathatják meg, hanem a belső erők munkavégzései is. Itt is ez történik: a piruettezőnek komoly erőket kell kifejtenie, hogy a testrészeit befelé húzza, ennek során pedig munkát kell végeznie, ez pedig fedezi a forgási energiája megnövekedését. Természetesen ez az energia nem a semmiből jön, hanem az izmaiban szabadul fel a kémiai reakciók során, a kémiai kötések energiáiból (ennek pótlására kell a táplálkozással energiát bevinnie). Forgózsámolyon pörögve már egy kisebb súlyzó behúzása (széttárt karú állapotból a mellkashoz) is komoly kihívást jelent. Ki is csúszik a sportszelet, ha 5 kilós súlyzókat megpróbálsz így behúzni...