ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Bryła sztywnaklasa 2 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/2/fizyka/moment-bezwladnosci-i-ii-zasada-dynamiki-ruchu-obrotowego/

Fizyka · Bryła sztywna · kl. 2 · zakres rozszerzony

Moment bezwładności i II zasada dynamiki ruchu obrotowego

Masa mówi, jak trudno rozpędzić ciało na prostej. Moment bezwładności mówi, jak trudno rozkręcić je wokół osi – i zależy od tego, jak daleko od osi leży masa.

ok. 4 min czytania8 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Moment bezwładności

  • Oznaczenia: I – moment bezwładności względem danej osi [kg·m²]; mi – masa i-tej części bryły [kg]; ri – jej odległość od osi [m]; m – masa bryły [kg]; r – promień [m]; l – długość pręta [m].
Zapamiętaj

I = Σ mi · ri². Masa daleko od osi liczy się bardziej, bo odległość występuje w kwadracie.

Bryła jednorodna i ośI
punkt materialny, cienka obręcz (oś symetrii)m r²
walec pełny (oś symetrii)1 przez 2 m r²
kula pełna (oś przez środek)2 przez 5 m r²
pręt (oś przez środek, prostopadła do pręta)1 przez 12 m l²
  • I podajemy zawsze względem konkretnej osi. Ten sam pręt obracany wokół końca ma I = 1 przez 3 m l², czyli 4 razy więcej niż wokół środka.

2II zasada dynamiki ruchu obrotowego

  • Oznaczenia: M – wypadkowy moment sił zewnętrznych względem osi [N·m]; ε – przyspieszenie kątowe [rad/s²]; ω – prędkość kątowa [rad/s]; Ek – energia kinetyczna ruchu obrotowego [J].
Zapamiętaj

ε = M przez I, czyli M = I · ε. Ten sam moment siły nadaje bryle o większym I mniejsze przyspieszenie kątowe.

  • Gdy M = 0, bryła obraca się ze stałą ω albo pozostaje w spoczynku (odpowiednik I zasady dynamiki).
  • Energia kinetyczna ruchu obrotowego: Ek = I · ω² przez 2, np. koło o I = 0,5 kg·m² przy ω = 20 rad/s ma 100 J.
Sprawdź, czy rozumiesz

Pręt obracamy raz wokół osi przez środek, raz wokół osi przez koniec (obie prostopadłe do pręta). Jak się mają momenty bezwładności?

3Przykład: ciężarek na bloczku

rεmNmgawalec(moment bezwładności I)N < mg
Na ciężarek działają mg i naciąg N < mg; naciąg rozkręca walec
  • Dane: ciężarek m = 2 kg na lince nawiniętej na walec pełny o masie mw = 4 kg i promieniu r = 0,1 m; g = 10 m/s²; linka się nie ślizga. Szukane: a, N.
  • Wzory: ciężarek: m g − N = m a; walec: N · r = I · ε, gdzie I = 1 przez 2 mw r² i ε = a przez r.
  • Obliczenia: I = 0,02 kg·m²; N = I · a przez r² = 2 kg · a; 20 N − 2 kg · a = 2 kg · a, więc a = 5 m/s² i N = 10 N.
  • Odpowiedź: a = 5 m/s² (mniej niż g, bo część energii idzie na rozkręcanie walca), naciąg N = 10 N, czyli mniej niż m g = 20 N.
Uwaga na błąd

Przyjęcie, że naciąg linki równa się ciężarowi ciężarka. Gdy ciężarek przyspiesza w dół, N jest mniejsze od m g.

✎Ściąga: Moment bezwładności i II zasada dynamiki ruchu obrotowego

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • I = Σ mi · ri². Masa daleko od osi liczy się bardziej, bo odległość występuje w kwadracie.
  • ε = M przez I, czyli M = I · ε. Ten sam moment siły nadaje bryle o większym I mniejsze przyspieszenie kątowe.
  • Oznaczenia: I – moment bezwładności względem danej osi [kg·m²]; mi – masa i-tej części bryły [kg]; ri – jej odległość od osi [m]; m – masa bryły [kg]; r – promień [m]; l – długość pręta [m].
  • Oznaczenia: M – wypadkowy moment sił zewnętrznych względem osi [N·m]; ε – przyspieszenie kątowe [rad/s²]; ω – prędkość kątowa [rad/s]; Ek – energia kinetyczna ruchu obrotowego [J].
  • Dane: ciężarek m = 2 kg na lince nawiniętej na walec pełny o masie mw = 4 kg i promieniu r = 0,1 m; g = 10 m/s²; linka się nie ślizga. Szukane: a, N.
  • Wzory: ciężarek: m g − N = m a; walec: N · r = I · ε, gdzie I = 1 przez 2 mw r² i ε = a przez r.
  • Obliczenia: I = 0,02 kg·m²; N = I · a przez r² = 2 kg · a; 20 N − 2 kg · a = 2 kg · a, więc a = 5 m/s² i N = 10 N.
  • Odpowiedź: a = 5 m/s² (mniej niż g, bo część energii idzie na rozkręcanie walca), naciąg N = 10 N, czyli mniej niż m g = 20 N.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Od czego zależy moment bezwładności bryły?

    1. ATylko od prędkości kątowej
    2. BTylko od objętości bryły
    3. CTylko od masy
    4. DOd masy i jej rozkładu względem osi obrotu
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: Od masy i jej rozkładu względem osi obrotu – I = Σ m r², więc liczy się masa i jej odległość od osi.

  2. Który wzór opisuje II zasadę dynamiki ruchu obrotowego?

    1. AF = I · ε
    2. BM = I · ω
    3. CM = I · ε
    4. DM = m · a
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: M = I · ε – Wypadkowy moment sił równa się iloczynowi momentu bezwładności i przyspieszenia kątowego.

  3. Moment bezwładności walca pełnego (oś symetrii) o masie 2 kg i promieniu 0,1 m wynosi

    1. A0,1 kg·m²
    2. B0,02 kg·m²
    3. C0,01 kg·m²
    4. D0,008 kg·m²
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 0,01 kg·m² – I = ½ m r² = ½ · 2 · 0,1² kg·m² = 0,01 kg·m².

  4. Na bryłę o I = 2 kg·m² działa wypadkowy moment sił 10 N·m. Ile wynosi ε?

    1. A20 rad/s²
    2. B12 rad/s²
    3. C5 rad/s²
    4. D0,2 rad/s²
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 5 rad/s² – ε = M/I = 10/2 rad/s² = 5 rad/s².

  5. Energia kinetyczna koła o I = 0,5 kg·m² obracającego się z ω = 20 rad/s to

    1. A5 J
    2. B100 J
    3. C10 J
    4. D200 J
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: 100 J – Ek = Iω²/2 = 0,5 · 400/2 J = 100 J.

  6. Jak zmieni się moment bezwładności obręczy, gdy jej promień wzrośnie dwa razy, a masa się nie zmieni?

    1. AWzrośnie 2 razy
    2. BNie zmieni się
    3. CWzrośnie 4 razy
    4. DZmaleje 2 razy
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Wzrośnie 4 razy – I = m r², a promień występuje w kwadracie.

  7. Dane z przykładu: ciężarek 2 kg na lince nawiniętej na walec pełny (4 kg, r = 0,1 m), g = 10 m/s². Ile wynosi naciąg linki?

    1. A10 N
    2. B5 N
    3. C40 N
    4. D20 N
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: 10 N – a = mg/(m + I/r²) = 20/(2 + 2) m/s² = 5 m/s², więc N = m(g − a) = 10 N; 20 N to błędne N = mg.

  8. Pręt obracamy raz wokół osi przez środek, raz wokół osi przez koniec (obie prostopadłe do pręta). Jak się mają momenty bezwładności?

    1. AWokół końca I jest 4 razy mniejsze
    2. BWokół końca I jest 2 razy większe
    3. CSą równe, bo masa jest ta sama
    4. DWokół końca I jest 4 razy większe
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: Wokół końca I jest 4 razy większe – (1/3) m l² : (1/12) m l² = 4 – przy osi w końcu masa leży średnio dalej od osi.

Cały dział „Bryła sztywna”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Więcej: Fizyka, klasa 2