by 
Οι σφαίρες Α, Β αρχικά ισορροπούν. Η σφαίρα Α στο κάτω άκρο ελατηρίου σταθεράς k, η σφαίρα Β στο κάτω άκρο αβαρούς μη εκτατού νήματος. Οι σφαίρες θεωρούνται υλικά σημεία και απέχουν το ίδιο από το οριζόντιο έδαφος. Κόβουμε ταυτόχρονα τα δύο νήματα. Ποια σφαίρα θα φθάσει πρώτη στο έδαφος, αν υποθέσουμε: i) ιδανικό ελατήριο, δηλαδή ελατήριο αμελητέας μάζας
ii) ελατήριο μη αμελητέας μάζας, όπως ένα Slinky
Οι αντιστάσεις από τον αέρα θεωρούνται αμελητέες.
Μαθηματική μελέτη με τη βοήθεια της ΑΙ
Καλησπέρα Θοδωρή. Ωραίο θέμα έθεσες! Η γνώμη μου είναι ότι δεν είμαστε σε θέση να πούμε ότι η Β θα φτάσει πρώτη στο έδαφος, κι αυτό γιατί:
Χάριν ευκολίας ας δεχθούμε ότι η σφαίρα και το ελατήριο έχουν ίσες μάζες. Τότε το κέντρο μάζας (κ.μ) του συστήματος βρίσκεται στο μέσον της απόστασης του κ.μ. της σφαίρας και του κ.μ. το τεντωμένος ελατηρίου που ταυτίζεται με το μέσο του ελατηρίου.
Το κ.μ. του συστήματος δέχεται ως εξωτερική δύναμη μόνο το βάρος του, δηλ. 2mg , άρα θα κάνει ελεύθερη πτώση με επιτάχυνση a=g.
Κάθε σπείρα του ελατηρίου θα αρχίσει ταλάντωση. Μάλλον θα δημιουργηθεί κάτι σαν στάσιμο κύμα στο ελατήριο.
Οι δυνάμεις που δέχεται η σφαίρα θα είναι πότε προς τα πάνω και πότε προς τα κάτω .
Η αρχική επιτάχυνση της Α είναι μηδέν. Γενικά έχει επιτάχυνση
a’=ΣF/m=(mg+_Fελ.)/m=g+_Fελ./m
Δηλ. άλλοτε θα είναι μικρότερη και άλλοτε μεγαλύτερη από g.
Έτσι νομίζω ότι δεν μπορούμε να πούμε με ΣΙΓΟΥΡΙΆ ΑΝ η Α θα φτάσει πριν ή μετά τη Β.
Καλησπερα Θοδωρη. Δεν συμφωνω με την αναλυση της περιπτωσης μη μηδενικης μαζας. Δεν συμφωνω γενικα με το σκεπτικο της αναλυσης αλλα ας απαντησω μονο στο κυριως ερωτημα. Ποια σφαιρα θα φτασει πρωτη;Το ποια σφαιρα θα φτασει πρωτη στο εδαφος εξαρταται απο την σχεση της περιοδου της ταλαντωσης του συστηματος σφαιρας ελατηριου,με τον χρονο πτωσης.Αυτη η εξηγηση για μενα ειναι αρκετη αλλα αν το εξηγουσα σε μαθητες,θα επρεπε να πω και άλλα. Το κεντρο μαζας πεφτει με επιταχυνση g ειτε εχουμε νημα ειτε ελατηριο με μαζα. Ομως η αποσταση της σφαιρας Α απο το κεντρο μαζας αυξομειωνεται με καποια περιοδικοτητα και υπαρχουν χρονικα διαστηματα που βρισκεται πιο μακρια απο το κεντρο μαζας απο οτι την στιγμη που κοψαμε τα νηματα.Κατα τα χρονικα διαστηματα αυτα,η σφαιρα Α προηγειται της σφαιρας Β στην πτωση της. Αν κατα την διαρκεια αυτου του χρονικου διαστηματος αγγιξει το εδαφος,τοτε αυτη θα φτασει πρωτη. Υπαρχουν δηλαδη χρονικα διαστηματα κατα τα οποια προηγειται η σφαιρα Α και άλλα κατα τα οποια προηγειται η σφαιρα Β. Αρα η απαντηση εξαρταται απο την σχεση χρονου πτωσης και περιοδου ταλαντωσης.
Ουτε το σκεπτικο της περιπτωσης ιδανικου ελατηριου μου αρεσει,και ας καταληγει σε σωστο τελικο συμπερασμα. Κατα την γνωμη μου εκει το μονο που χρειαζεται να πουμε ειναι οτι τα κεντρα μαζας ταυτιζονται με τις σημειακες σφαιρες και αφου τα κεντρα μαζας εχουν την ιδια επιταχυνση,τοτε οι σφαιρες θα φτασουν κατω μαζι.
Κατα την γνωμη μου δεν χρειαζεται να μιλησουμε ουτε για διαταραχες ουτε για κυματα ουτε για τιποτα απο ολα αυτα. Περιπλεκουν μια τελειως απλη περιπτωση,χωρις να υπαρχει λογος.
Καλησπέρα σε όλους.
Κωνσταντίνε εμάς όμως μας ενδιαφέρει τι κάνει η μπίλια στο κάτω άκρο, όχι το κμ.
Η μπίλια θα εξακολουθεί να ισορροπεί μέχρι η διαταραχή να φτάσει σε αυτήν.
Επίσης σε ένα τέτοιο ελατήριο (slinky) η μπίλια δεν θα ταλαντωθεί σχεδόν καθόλου.
Καλησπέρα παιδιά.
Τα κ.μ.είναι πάντα στο ίδιο ύψος.
Αν το ελατήριο είναι τεντωμένο πιο κάτω είναι η αριστερή.
Αν είναι συσπειρωμένο πιο κάτω η δεξιά
Αν έχει το φυσικό του μήκος…
Ισως βοηθήσει ένα βίντεο που είχα τραβήξει παλία με ένα slinky.
Βοηθά να το κατεβάσετε και να παίξει σε slow motion. Το κάτω άκρο είναι εμφανώς ακίνητο μέχρι να συσπειρωθεί το ελατήριο για πρώτη φορά, μετά εκτελεί ελεύθερη πτώση.
Επίσης μπορείτε να επιλέξετε χαμηλή ταχύτητα απευθείας από το περιβάλλον του dropbox (κάτω αριστερά στην οθόνη)
Καλησπέρα σε όλους, καλό ξεκίνημα στη νέα σχολική χρονιά
Χαίρομαι που η ανάρτηση κίνησε το ενδιαφέρον.
Στάθη καταπληκτικό….δείτε τα στιγμιότυπα
Το κάτω άκρο μένει στο ίδιο σημείο μέχρι να φθάσει σε αυτό η “διαταραχή”
Τα πέντε διαδοχικά στιγμιότυπα δείχνουν πολύ παραστατικά το χαρακτηριστικό φαινόμενο του Slinky:
μετά την απελευθέρωση του πάνω άκρου, η συστολή δεν γίνεται ταυτόχρονα σε όλο το ελατήριο, αλλά προχωρά από πάνω προς τα κάτω.
Αν τα αριθμήσουμε από αριστερά προς τα δεξιά:
1ο στιγμιότυπο — πριν από την απελευθέρωση.
Το Slinky κρέμεται κατακόρυφα από το πάνω άκρο του και βρίσκεται σε στατική ισορροπία. Δεν είναι ομοιόμορφα τεντωμένο: τα ανώτερα τμήματα πρέπει να συγκρατούν μεγαλύτερο βάρος από τα κατώτερα, επομένως η τάση και η επιμήκυνση είναι γενικά μεγαλύτερες ψηλότερα. Σε κάθε στοιχειώδες τμήμα η διαφορά των τάσεων στα δύο άκρα του εξισορροπεί το βάρος του.
2ο στιγμιότυπο — μόλις ελευθερώνεται το πάνω άκρο.
Η τάση στο ελεύθερο πάνω άκρο μηδενίζεται. Αυτό όμως δεν πληροφορεί ακαριαία ολόκληρο το Slinky. Δημιουργείται μια διαταραχή —ένα κύμα αποφόρτισης/συστολής— που αρχίζει να διαδίδεται προς τα κάτω. Το επάνω τμήμα αρχίζει να καταρρέει και οι σπείρες του πλησιάζουν μεταξύ τους.
Το εντυπωσιακό είναι ότι το κάτω άκρο εξακολουθεί ακόμη να βρίσκεται περίπου στην αρχική του θέση.
3ο στιγμιότυπο — το μέτωπο συστολής έχει προχωρήσει προς τα κάτω.
Εδώ φαίνεται καθαρά ότι ένα μεγάλο μέρος του Slinky έχει ήδη συσπειρωθεί, ενώ το κατώτερο τμήμα εξακολουθεί να είναι τεντωμένο. Το όριο ανάμεσα στις δύο περιοχές κινείται προς τα κάτω.
Το κάτω άκρο παραμένει σχεδόν ακίνητο επειδή η πληροφορία της απελευθέρωσης δεν έχει ακόμη φτάσει σε αυτό. Στην περιοχή αυτή η κατανομή της τάσης παραμένει ακόμη περίπου εκείνη που υπήρχε πριν από την απελευθέρωση.
Το κάθε τμήμα δέχεται τις κατάλληλες τάσεις από τα γειτονικά του τμήματα και το βάρος του. Η αρχική κατανομή αυτών των τάσεων είναι αυτή που διατηρεί προσωρινά την κάτω περιοχή σχεδόν στην αρχική της κατάσταση.
4ο στιγμιότυπο — η διαταραχή πλησιάζει στο κάτω άκρο.
Η συσπειρωμένη περιοχή έχει πλέον κατέβει πολύ χαμηλά. Το κάτω άκρο εξακολουθεί εντυπωσιακά να βρίσκεται περίπου στο ίδιο ύψος, αλλά αυτό πρόκειται να τελειώσει: το μέτωπο της μεταβολής της τάσης πλησιάζει σε αυτό.
Και εδώ βρίσκεται η ουσία του πειράματος:
Το κάτω άκρο δεν «γνωρίζει ακόμη» ότι το πάνω αφέθηκε ελεύθερο
5ο στιγμιότυπο — το μέτωπο φτάνει κάτω.
Μόλις η διαταραχή φτάσει στην κατώτερη περιοχή, παύει η προηγούμενη κατάσταση τάσεων που τη συγκρατούσε. Τότε και το κάτω άκρο αρχίζει να κινείται προς τα κάτω. Στο τελευταίο στιγμιότυπο φαίνεται πλέον ολόκληρο το Slinky πολύ περισσότερο συσπειρωμένο και σε καθοδική κίνηση.
Αυτές οι φωτογραφίες δείχνουν ακριβώς γιατί πρέπει να διακρίνουμε το Slinky από το ιδανικό αβαρές ελατήριο.
Το πάνω μέρος του Slinky δεν πέφτει απλώς με επιτάχυνση g μπορεί να επιταχύνεται προς τα κάτω με επιτάχυνση μεγαλύτερη από g
επειδή εκτός από το βάρος του δέχεται και ελαστικές δυνάμεις προς τα κάτω από το ακόμη τεντωμένο τμήμα που βρίσκεται από κάτω. Ταυτόχρονα, το κάτω άκρο μπορεί να έχει περίπου α=0.
Αυτό δεν παραβιάζει καθόλου το ότι το κέντρο μάζας ολόκληρου του ελεύθερου Slinky επιταχύνεται με ακριβώς αcm=g
Τα διάφορα τμήματά του έχουν πολύ διαφορετικές επιταχύνσεις, αλλά συνολικά: αcm=g
Tο κέντρο μάζας πέφτει όπως ένα σώμα σε ελεύθερη πτώση, ενώ το ίδιο το Slinky παραμορφώνεται δραματικά γύρω από το κέντρο μάζας του.
Να διορθώσω Θοδωρή μόνο ένα, άνευ ουσίας στο ερώτημα, πράγμα. Το slinky δεν έχει αμελητέα μάζα, είναι συγκρίσιμη με τις μάζες των εργαστηριακών ελατηρίων και από κάποια μεγαλύτερη.Έχει πολύ μικρή σκληρότητα εν συγκρίσει με αυτά και πολλές σπείρες. Δεν είναι η αμελητέα μάζα που παίζει κεντρικό ρόλο στο φαινόμενο.
Συμφωνώ Στάθη, γράφω κάπου ότι το slincky έχει αμελητέα μάζα; Αν ναι, κατά λάθος, αλλά δε νομίζω
Έχεις δίκιο Θοδωρή, δεν διάβασα το “μη” στο ερώτημα ii….
Πρόσθεσα μία μαθηματική μελέτη με τη βοήθεια της ΑΙ
Καλησπερα σε ολους. Εγω καταλαβαινω οτι το ερωτημα της αναρτησης ειναι ποιο σωμα θα φτασεΙ πρωτο κατω. Το Α η το Β; Aυτο το ερωτημα βλεπω. Εγω θεωρω προφανες οτι η απαντηση εξαρταται απο δεδομενα που δεν εχουμε ,οπως η σχεση μεταξυ του χρονου πτωσεως και της περιοδου της ταλαντωσης του συστηματος σφαιρα-ελατηριο. Για να το δει κανεις αυτο, κατα την γνωμη μου δεν χρειαζεται πραξεις.Ομως και η σχεση(1) της Α.Ι.που εβαλε ο Θοδωρης και βλεπω,δειχνει οτι το προσημο της διαφορας υψους μεταξυ των δυο σφαιρων εναλλασεται.Αυτο σημαινει οτι στην προς τα κατω κινηση,μία προηγειται η Α μία η Β.Αρα ισχυει οτι δεν μπορουμε να ξερουμε ποια θα φτασει πρωτη κατω. Ο Γιαννης καταλαβαινω οτι κατι τετοιο λεει. Εσυ Σταθη τι λες; Eσυ Θοδωρη τι λες; Ποια θα φτασει πρωτη κατω; 🙂
Κωνσταντίνε νόμιζα ότι είναι ξεκάθαρο: το Β πρώτο. Γιατί δεν θα ταλαντωθεί το σώμα Β στην άκρη του συγκεκριμένου ελατηρίου. Το ελατήριο θα συγκρουστεί με το σώμα και ως συσσωμάτωμα θα εκτελέσουν ελεύθερη πτώση. Αυτό λέω από την αρχή γιατί το έχω δει στο εργαστήριο.
Νομίζω ότι η παρανόηση ξεκινά από το εξής: Το ελατήριο slinky στο φυσικό του μήκος, αν το αφήσουμε πάνω σε ένα τραπέζι, έχει τις σπείρες του σχεδόν κολλημένες. Αυτό δεν προκύπτει πουθενά από την εκφώνηση βέβαια. Είτε το έχεις δει, είτε όχι.
Για ένα σκληρότερο ελατήριο με λίγες σπείρες σε απόσταση μεταξύ τους στο φυσικό μήκος, η κατάσταση αλλάζει. Πιθανολογώ ότι τότε η απάντηση εξαρτάται και από τον λόγο μαζών ελατηρίου -σώματος. Εκεί δεν ξέρω να απαντήσω. Για παράδειγμα για μεγάλη μάζα σώματος και κατάλληλη σκληρότητα, κάποιες από τις σπείρες θα συγκρουστούν μεταξύ τους, μάλλον πλαστικά, μόλις το κύμα φτάσει στο σώμα.
Η ανάλυση του ΑΙ δεν λαμβάνει υπόψη της τις χρονικές εξαρτήσεις των ταλαντώσεων των σπειρών και του σώματος και δεν την πολυκαταλαβαίνω για να πω την αλήθεια.
Σε κάθε περίπτωση το σώμα Β θα καθυστερήσει να αρχίσει να πέφτει, μέχρι να φτάσει σε αυτό η διαταραχή. Αυτό δεν μπορεί να αγνοηθεί. Αν αυτό είναι αρκετό για να κάνει το σώμα Β να πέσει καθυστερημένα για όλα τα ελατήρια, δεν απαντάται νομίζω χωρίς νούμερα (μάζες, σκληρότητα, απόσταση σπειρών στο φυσικό μήκος, αριθμό σπειρών)
Συμφωνώ με τον Κωνσταντίνο, δεν έχουμε αρκετά στοιχεία για να καταλήξουμε σε σίγουρο αποτέλεσμα.
Στο 1ο σχόλιο που έγραψα θεώρησα ότι οι μάζες ήταν ίσες. Η λογική της επιχειρηματολογίας μου δεν αλλάζει αν οι μάζες σφαιριδίου και ελατηρίου ήταν άνισες.
Αν το ελατήριο έχει π.χ. το 20% της μάζας του σφαιριδίου και είναι σκληρό ή μαλακό, το Κ.μ. τους είναι πιο κοντά στο σφαιρίδια.
Το ελατήριο θα αρχίσει να αποσυσπειρώνεται, από πάνω προς τα κάτω, το Κ.μ. τους θα κάνει ελεύθερη πτώση, η συνισταμένη δύναμη στη σφαίρα θα έχει φορά προς τα κάτω ξεκινώντας από μηδενική τιμή, η επιτάχυνση της θα είναι αρχικά μικρότερη από g, μέχρι τη στιγμή που το ελατήριο θα αρχίσει να συσπειρώνεται, κι αμέσως μετά θα είναι μεγαλύτερη από g, κι αυτό θα συνεχίζεται. Στο ελατήριο θα δημιουργηθεί κάτι σαν στάσιμο κύμα, κι αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα η σφαίρα να δέχεται μια συνισταμένη δύναμη της μορφής
ΣF=mg+_ k•Δl που θα μεταβάλλεται με συχνότητα ταλάντωσης των σπειρών του ελατηρίου, η οποία εξαρτάται από τη σκληρότητα του ελατηρίου και τη μάζα του.
Η σφαίρα θα αρχίσει να κινείται προς τα κάτω και δεν θα παραμείνει ακίνητη για λίγο χρονικό διάστημα. Το πείραμα του Στάθη δεν είναι αντιπροσωπικό για την περίπτωση που έχουμε.
Αυτά μετην προϋπόθεση ότι τα σφαιρίδια είναι αρκετά ψηλά από το έδαφος.