עבודה ואנרגיה
מתקף ותנע
תנועה מעגלית
2 מ 4

לעמוד הבית

בגרות – קפיצת באנג’י

יצחק, קופץ באנג'י מנוסה, עומד לבצע קפיצה מקורה שנמצאת בגובה \( 77\ \mathrm{m} \) מעל הקרקע. יצחק קשור במותניו לקפיץ, שבמצבו הרפוי מחובר בצדו האחר לקורה. מסתו של יצחק \( m=60\ \mathrm{kg} \), קבוע הכוח של הקפיץ \( k=100\ \mathrm{N/m} \). יצחק נופל מקצה הקורה בנפילה חופשית אנכית; מנקודה מסוימת במהלך תנועתו הקפיץ מתחיל להימתח, וברגע שיצחק מגיע לגובה \( 2\ \mathrm{m} \) מהקרקע (הנקודה הנמוכה ביותר בתנועתו) הקפיץ מחזיר אותו כלפי מעלה. יש להזניח את ממדי יצחק והקורה, את מסת הקפיץ ואת החיכוך.

א. משמעות קבוע הכוח k = 100 N/m

קבוע כוח זה פירושו שכדי למתוח (או לכווץ) את הקפיץ באורך של \( 1\ \mathrm{m} \), יש להפעיל עליו כוח של \( 100\ \mathrm{N} \).

ב. אורך הקפיץ במצבו הרפוי

מרגע שהקפיץ מתחיל להימתח ועד לנקודה הנמוכה ביותר (\( h=2\ \mathrm{m} \), שם המהירות מתאפסת), משתמשים בשימור אנרגיה. מנקודת השיא (\( h=77\ \mathrm{m} \), מהירות אפס) ועד לנקודה הנמוכה ביותר (\( h=2\ \mathrm{m} \), מהירות אפס גם כן), כל האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית שהשתנתה הפכה לאנרגיה פוטנציאלית אלסטית של הקפיץ (אין אנרגיה קינטית בשתי הנקודות הללו):

$$ mg(77-2) = \tfrac12 k x^2 $$

$$ x = \sqrt{\frac{2mg\cdot75}{k}} = \sqrt{\frac{2\times60\times10\times75}{100}} = 30\ \mathrm{m} $$

זוהי מתיחת הקפיץ בנקודה הנמוכה ביותר. לכן הגובה שבו הקפיץ מתחיל להימתח (כשהוא במתיחה אפס) הוא \( 2+30=32\ \mathrm{m} \) מעל הקרקע, ואורכו הרפוי:

$$ L_0 = 77 - 32 = 45\ \mathrm{m} $$

ג. הכוח השקול על יצחק בגובה 2m

בנקודה הנמוכה ביותר, מתיחת הקפיץ \( x=30\ \mathrm{m} \).

כוח הקפיץ, כלפי מעלה:

$$ F_{spring} = kx = 100\times30 = 3000\ \mathrm{N} $$

כוח הכובד, כלפי מטה:

$$ F_{gravity} = mg = 60\times10 = 600\ \mathrm{N} $$

הכוח השקול, כלפי מעלה:

$$ F_{net} = kx - mg = 3000-600 = 2400\ \mathrm{N} $$

ד. הגובה שבו הכוח השקול מתאפס

הכוח השקול מתאפס כאשר כוח הקפיץ שווה בגודלו למשקל:

$$ kx_0 = mg \quad\Rightarrow\quad x_0 = \frac{mg}{k} = \frac{60\times10}{100} = 6\ \mathrm{m} $$

מתיחה זו מתקבלת בגובה:

$$ h = 32 - 6 = 26\ \mathrm{m} $$

ה. הזמן מהנקודה הנמוכה ביותר לנקודה הגבוהה ביותר

מהנקודה הנמוכה ביותר (\( h=2\ \mathrm{m} \)) ועד לגובה \( h=32\ \mathrm{m} \) (שם הקפיץ חוזר לאורכו הרפוי), התנועה היא תנועה הרמונית פשוטה סביב נקודת שיווי המשקל שנמצאה בסעיף ד' (\( h=26\ \mathrm{m} \)), עם משרעת \( A=26-2=24\ \mathrm{m} \):

$$ \omega = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{100}{60}} \approx 1.291\ \mathrm{rad/s} $$

מציבים \( y(t)=-A\cos(\omega t) \) (התחלה בנקודה הנמוכה ביותר), ומוצאים את הזמן \( t_1 \) שבו \( y=32-26=+6\ \mathrm{m} \):

$$ \cos(\omega t_1) = -\frac{6}{24} = -0.25 \quad\Rightarrow\quad \omega t_1 \approx 1.823 \quad\Rightarrow\quad t_1 \approx \frac{1.823}{1.291} \approx 1.41\ \mathrm{s} $$

המהירות בגובה \( h=32\ \mathrm{m} \), כלפי מעלה. מגובה זה ומעלה הקפיץ רפוי, והמהירות מתאפסת בגובה ההתחלתי \( 77\ \mathrm{m} \), כלומר אחרי עלייה של \( 77-32=45\ \mathrm{m} \):

$$ v_1 = \sqrt{2\times10\times45} = 30\ \mathrm{m/s} $$

זמן העלייה החופשית (האטה קבועה \( g \)):

$$ t_2 = \frac{v_1}{g} = \frac{30}{10} = 3\ \mathrm{s} $$

הזמן הכולל מהנקודה הנמוכה ביותר לנקודה הגבוהה ביותר:

$$ t_{total} = t_1+t_2 \approx 1.41+3 = 4.41\ \mathrm{s} $$

שאלת בגרות · קיץ תשס"ה · שאלה 5
קפיצת באנג'י
מצגת פתרון: נפילה חופשית, קפיץ, שימור אנרגיה ותנועה הרמונית.
שימור אנרגיהחוק הוקכוח שקולתנועה הרמונית

לפני שפותרים
שלבי התנועה
1. נפילה חופשית · מ-\(77\ \text{m}\) עד h₁

הקפיץ רפוי, פועל רק כוח הכובד. h₁ הוא הגובה שבו הקפיץ מתחיל להימתח — נמצא אותו בסעיף ב.
2. הקפיץ נמתח · מ-h₁ עד h₂

המשקל עדיין גדול מכוח הקפיץ, ויצחק ממשיך להאיץ. ב-h₂ הכוח השקול מתאפס והמהירות מרבית — נמצא אותו בסעיף ד.
3. בלימה · מ-h₂ עד \(2\ \text{m}\)

כוח הקפיץ גדול מהמשקל, ויצחק מאט עד שהוא נעצר.

אפור: קפיץ רפוי · טורקיז: קפיץ נמתח

האנרגיה בכל רגע

הסכום קבוע: \(mgh=60\cdot10\cdot77=46{,}200\ \text{J}\)

סעיף א · 5⅓ נקודות
מה המשמעות של \(k=100\ \tfrac{\text{N}}{\text{m}}\)?
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: כמה כוח צריך כדי למתוח את הקפיץ ב-\(1\ \text{m}\)? וב-\(2\ \text{m}\)?
1. חוק הוק: הכוח פרופורציוני להתארכות.\(F=kx\)
התשובה: כדי למתוח (או לכווץ) את הקפיץ ב-\(1\ \text{m}\) יש להפעיל עליו כוח של \(100\ \text{N}\).
התארכות
\(1\ \text{m}\ \rightarrow\ 100\ \text{N}\)
התארכות
\(2\ \text{m}\ \rightarrow\ 200\ \text{N}\)
התארכות
\(5\ \text{m}\ \rightarrow\ 500\ \text{N}\)
סעיף ב · 7 נקודות
מה אורך הקפיץ במצבו הרפוי?
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: באילו שתי נקודות המהירות של יצחק היא אפס? למה כדאי לבחור דווקא אותן?
1. בוחרים את נקודת הקפיצה (\(77\ \text{m}\)) ואת הנקודה הנמוכה (\(2\ \text{m}\)). בשתיהן המהירות אפס, ולכן אין בהן אנרגיה קינטית.
2. אנרגיית הגובה שאבדה הפכה לאנרגיה אלסטית:\(mg(77-2)=\tfrac12 kx^2\)שימו לב: x היא ההתארכות של הקפיץ בלבד, ולא כל הדרך שיצחק נפל (75 m). בחלק הראשון של הנפילה הקפיץ רפוי ולא אוגר אנרגיה.
3. ההתארכות בנקודה הנמוכה:\(x=\sqrt{\frac{2\cdot60\cdot10\cdot75}{100}}=30\ \text{m}\)
4. הקפיץ התחיל להימתח בגובה:\(2+30=32\ \text{m}\)
אורך הקפיץ הרפוי:\(L_0=77-32=45\ \text{m}\)

סעיף ג · 6 נקודות
הכוח השקול על יצחק בגובה \(2\ \text{m}\)
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: בנקודה הנמוכה יצחק נעצר לרגע. האם זה אומר שהכוח השקול עליו הוא אפס?
1. לא! מהירות אפס לא אומרת שהכוח אפס: יצחק מתחיל לעלות, כלומר יש לו תאוצה כלפי מעלה.
2. כוח הקפיץ (למעלה). מסעיף ב: הקפיץ מתחיל להימתח ב-\(32\ \text{m}\), ולכן בגובה \(2\ \text{m}\) ההתארכות \(x=32-2=30\ \text{m}\):\(kx=100\cdot30=3000\ \text{N}\)
3. כוח הכובד (למטה):\(mg=60\cdot10=600\ \text{N}\)
הכוח השקול:\(\Sigma F=kx-mg=3000-600=2400\ \text{N}\ \uparrow\)

סעיף ד · 7 נקודות
באיזה גובה הכוח השקול שווה ל-0?
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: האם יצחק נמצא במנוחה בנקודה הזו? מה מיוחד במהירות שלו שם?
1. הכוח השקול אפס כשכוח הקפיץ שווה למשקל:\(kx_0=mg\)
2. ההתארכות בשיווי משקל:\(x_0=\frac{mg}{k}=\frac{60\cdot10}{100}=6\ \text{m}\)
3. הקפיץ מתחיל להימתח בגובה \(32\ \text{m}\) (סעיף ב), לכן:\(h=32-6\)
הגובה:\(h=26\ \text{m}\)
לדיון: יצחק לא במנוחה בנקודה הזו. הוא עובר בה במהירות מרבית: מעליה הוא עוד מאיץ, ומתחתיה הוא כבר מאט.

סעיף ה · 8 נקודות
הזמן מהנקודה הנמוכה לנקודה הגבוהה
מההתחלההצג פתרון
שאלה למחשבה: האם התשובה היא פשוט חצי זמן מחזור? מה קורה לקפיץ מעל גובה \(32\ \text{m}\)?
1. לא! יש כאן שני קטעים. מ-2 עד 32 מטר הקפיץ מתוח, והתנועה הרמונית סביב \(26\ \text{m}\) עם משרעת \(A=26-2=24\ \text{m}\). מ-32 עד 77 מטר הקפיץ רפוי, ויצחק בזריקה אנכית.
2. התדירות הזוויתית:\(\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{100}{60}}\approx1.291\ \text{rad/s}\)
3. מהנקודה הנמוכה: \(y=-A\cos(\omega t)\), ובגובה \(32\ \text{m}\) מתקיים \(y=32-26=+6\):\(\cos(\omega t_1)=-\frac{6}{24}\ \Rightarrow\ t_1=\frac{1.823}{1.291}\approx1.41\ \text{s}\)
4. המהירות בגובה \(32\ \text{m}\) (כמו בנפילה חופשית מ-77 ל-32, כלומר \(45\ \text{m}\)):\(v_1=\sqrt{2\cdot10\cdot45}=30\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\)
5. עלייה חופשית עד שהמהירות מתאפסת בגובה \(77\ \text{m}\):\(t_2=\frac{v_1}{g}=\frac{30}{10}=3\ \text{s}\)
הזמן הכולל:\(t=1.41+3\approx4.41\ \text{s}\)
קפיץ מתוח · 1.41 s
עלייה חופשית · 3 s

סיכום
התשובות והמלכודות
א. משמעות k100 N לכל 1 m
ב. אורך רפוי\(45\ \text{m}\)
ג. כוח שקול בגובה 2 מטר\(2400\ \text{N}\ \uparrow\)
ד. כוח שקול אפס\(h=26\ \text{m}\)
ה. זמן עלייה\(\approx4.41\ \text{s}\)

טעויות נפוצות
"30 מטר זה אורך הקפיץ": זו ההתארכות. האורך הרפוי הוא 45 מטר.
"בנקודה הנמוכה הכוח השקול אפס": המהירות היא שמתאפסת, לא הכוח.
"בגובה 26 מטר יצחק במנוחה": שם המהירות שלו מרבית.
"הזמן הוא חצי מחזור": מעל 32 מטר הקפיץ רפוי, והתנועה כבר לא הרמונית.

→ הקודם1 / 8מסך מלאהבא ←

הגשת מטלה

📎

גרור לכאן או לחץ לבחירת קובץ

PDF, JPG, JPEG, PNG · עד 10MB לקובץ · ניתן לבחור מספר קבצים