Αρχικά τα σώματα Σ2 , Σ3 με μάζες m2 = 2kg m3 = 4kg είναι ακίνητα επάνω στο λείο οριζόντιο επίπεδο δεμένα στα άκρα οριζοντίου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς k = 4800 N/m το οποίο είναι στο φυσικό του μήκος. Σώμα Σ1 μάζας m1 = 1kg κινούμενο με οριζόντια ταχύτητα υ1 = 9 m/s συγκρούεται κεντρικά ελαστικά με το σώμα Σ2.
α) Βρείτε την μέγιστη συσπείρωση του ελατηρίου.
β) Βρείτε τον ρυθμό μεταβολής της κινητικής ενέργειας του Σ3 τη στιγμή που το Σ2 έχει ταχύτητα + 4 m/s.
a) v1' = v1 (m1 - m2)/(m1 + m2) = 9 (1 - 2)/(1 + 2) = - 3 m/s
v2' = 2 v1 m1/(m1 + m2) = 2 9 1/3 = + 6 m/s
το Σ2 μετά την ελαστική κρούση ασκεί δύναμη στο ελατήριο το οποίο συσπειρώνεται ενώ το Σ2 δεχόμενο αντίθετη δύναμη από το ελατήριο κινείται προς τα δεξιά επιβραδυνόμενο
το ελατήριο ασκεί προς τα δεξιά δύναμη στο Σ3 το οποίο επιταχύνεται
κάποια στιγμή οι ταχύτητες των Σ2 Σ3 θα γίνουν ίσες έστω υ2 = v3 = v
το σύστημα των Σ2 Σ3 ελατηρίου θεωρείται μονωμένο η συνισταμένη των εξωτερικών δυνάμεων ισούται με μηδέν οπότε διατήρηση ορμής : m2 v2' = m2 v2 + m3 v3 (1) => m2 v2' = m2 v + m3 v => 2 6 = 2 v + 4 v => v = 2 m/s
διατήρηση ενέργειας : ½ m2 (v2')2 = ½ m2 v22 + ½ m3 v32 + ½ k x2 (2) =>
=> ½ m2 (v2')2 = ½ m2 v2 + ½ m3 v2 + ½ k x2 =>
=> 2 62 = 2 22 + 4 22 + 4800 x2 => 24 = 2400 x2 => x = 0,1 m μέγιστη συσπείρωση ελατηρίου
β) όταν v2 = 4 m/s από (1) => m2 v2' = m2 v2 + m3 v3 => 2 6 = 2 4 + 4 v3 => v3 = 1 m/s
από (2) => ½ m2 (v2')2 = ½ m2 v22 + ½ m3 v32 + ½ k x2 => 2 62 = 2 42 + 4 12 + 4800 x2 =>
=> 72 - 32 - 4 = 4800 x2 => x2 = 36 / 4800 = 3 / 400 m2 => x = √3 / 20 m
ρυθμός μεταβολής κινητικής ενέργειας του Σ3 : dK3/dt = m3 v3 a3 = v3 Fελατ = v3 k x = 1 m/s 4800 N/m √3 / 20 m = 240√3 J/s