Ο Ερμής είναι ο πλησιέστερος πλανήτης στον Ήλιο. Αυτό δημιουργεί ένα μεγάλο πρόβλημα αν θέλουμε να δημιουργήσουμε αποικία, αφού την ημέρα η θερμοκρασία είναι 430⁰C και το βράδυ πέφτει στους -180⁰C. Οι άποικοι φυσικά θα πρέπει να ζουν σε θόλους με κλιματισμό. Ας θεωρήσουμε ότι ένα κλιματιστικό μηχάνημα, λειτουργεί σαν ιδανική μηχανή Carnot και στο χώρο διαβίωσης δημιουργεί θερμοκρασία 20⁰C. Ο ρυθμός απώλειας ενέργειας από ή προς το περιβάλλον από τη μόνωση του θόλου είναι 0,5KJ/s για διαφορά θερμοκρασίας 1⁰C .

α) Ποιος είναι ο ρυθμός  απώλειας ενέργειας τη νύχτα και ποια η ισχύς της μηχανής Carnot, όταν λειτουργεί κατά τη διάρκεια της νύχτας;

β) Ποιος είναι ο ρυθμός  εισροής ενέργειας την ημέρα και ποια η ισχύς της μηχανής Carnot, όταν λειτουργεί κατά τη διάρκεια της ημέρας;

Απάντηση(Word)

Απάντηση(Pdf)

Στον πυθμένα των λιμνών συχνά παρατηρείται σχηματισμός φυσαλίδων αερίου CΗ₄. Έχοντας πυκνότητα μικρότερη από την πυκνότητα του νερού, ανέρχονται προς την επιφάνεια της λίμνης.

1. Ο όγκος αυτών των φυσαλίδων αυξάνεται κατά την άνοδο. Μπορείτε να εξηγήσετε το φαινόμενο;
2. Ένας δύτης – ερευνητής πήρε κάποιες μετρήσεις. Θερμοκρασία στον πυθμένα θ₁ = 17⁰C, θερμοκρασία στην επιφάνεια θ₂ = 27⁰C και ατμοσφαιρική πίεση p₂ = p₀ = 1∙10⁵N/m². Υπολόγισε επίσης ότι ο όγκος μιας φυσαλίδας τετραπλασιάζεται μέχρι την επιφάνεια της λίμνης. Βρήκε έτσι την πίεση κοντά στον πυθμένα. Πόσο;
3. Θεωρώντας την πυκνότητα του νερού ρ = 10³kg/m³, πόσο λέτε ότι κατάφερε να βρει το βάθος της θάλασσας;
4. Αν είχε θεωρήσει τη μεταβολή ισόθερμη πόσο % θα ήταν το σφάλμα του;

Θεωρείστε ότι η φυσαλίδα ανεβαίνει αργά, ώστε η πίεση και η θερμοκρασία στο εσωτερικό της προλαβαίνει να εξισώνεται με την πίεση του νερού εξωτερικά. Επίσης g = 10m/s².

Απάντηση(Word)

Απάντηση(Pdf)

Θα παραθέσω μία άσκηση για την κίνηση του ήλιου μας στον γαλαξία, απλά για να δούμε τάξεις μεγέθους. Η πραγματικότητα είναι εξαιρετικά πολύπλοκη λόγω δύο δεδομένων.

Α) Ο γαλαξίας μας όπως ο ήλιος και οι αέριοι γίγαντες του ηλιακού μας συστήματος Δίας και Κρόνος που δεν είναι συμπαγή στερεά περιστρέφονται διαφορικά, δηλαδή περιστρέφονται ταχύτερα στον ισημερινό και πιο αργά όσο απομακρυνόμαστε απο αυτόν.

Β) Ένα σοβαρό πρόβλημα όμως είναι το γεγονός ότι οι ταχύτητες καθώς πλησιάζουμε στα όρια του γαλαξία μας είναι σημαντικά μεγαλύτερες απο τις αναμενόμενες όπως βλέπουμε στο παρακάτω διάγραμμα. Η κόκκινη γραμμή είναι οι μετρούμενες ταχύτητες και οι μπλέ διακεκομένες οι αναμενόμενες αν ο γαλαξίας μας αποτελούνταν μόνο απο συνηθισμένη βαρυονική ύλη.

Πάντως αν ο γαλαξίας μας αποτελούνταν μόνο απο βαρυονική ύλη θα είχε αυτοδιαλυθεί δεδομένου ότι τα αστέρια στις παρυφές του θα ήταν χαλαρά συνδεδεμένα βαρυτικά με τον πυρήνα. Η μόνη εξήγηση που προκρίνεται σήμερα για τα παραπάνω είναι η παρουσία σκοτεινής ύλης σε μία άλω γύρω απο τον πυρήνα και σε ποσοστό που αγγίζει το 90% της συνολικής μάζας. Η παρουσία σκοτεινής ύλης λύνει και άλλα ζητήματα όπως η συνοχή σμηνών και υπερσμηνών γαλαξιών καθώς και η  παρατηρούμενη εικόνα απο βαρυτικούς φακούς.Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει καμία ακτινοβολία σε κανένα μήκος κύματος εξ ου και αόρατη. Αλληλεπιδρά όμως βαρυτικά με τη βαρυονική ύλη. Ζητούμενο επομένως είναι να προσδιοριστεί η φύση της ή να βρεθεί κάτι άλλο στη θέση της. Μια μειοψηφία αστροφυσικών προτείνει μια τροποποιημένη Νευτώνεια βαρύτητα που θα απαντά στα παραπάνω ζητήματα. Όπως και να έχει η πιο οικεία μας δύναμη η βαρύτητα, μας δημιουργεί τα πιο σοβαρά προβλήματα(ας μην ξεχνάμε και την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος), παρά το γεγονός ότι έχουμε δύο θεωρίες για τη βαρύτητα που και οι δύο είναι …σωστές. Ακολουθεί η άσκηση.

milky-way

Για να μεταφέρουμε έναν υποψήφιο δορυφόρο από την επιφάνεια της Γης σε ύψος h από αυτήν, απαιτείται να δαπανήσουμε ελάχιστο έργο w₁. Για να θέσουμε το δορυφόρο σε τροχιά απαιτείται επιπλέον ελάχιστο έργο w₂. Αν η ακτίνα της Γης είναι R και το ύψος h = R/2, το πηλίκο των έργων είναι

Βρείτε τη σωστή σχέση και δικαιολογείστε την απάντησή σας.

Απάντηση(Word) (Για σωστή εμφάνιση πρέπει να το κατεβάσετε)

Απάντηση(Pdf)

Όπως βλέπουμε στο παραπάνω στιγμιότυπο, που πάρθηκε από τη ζωντανή μετάδοση της εκτόξευσης του τηλεσκοπίου James Webb, μετά από οριζόντια απόσταση 1000km, ο πύραυλος που το μετέφερε έχασε ύψος, το οποίο ανέκτησε κάπου στα 6000km. Ποια πιστεύετε ότι είναι η εξήγηση του γεγονότος;

α) Κάποια μη υπολογισμένη μείωση της ισχύος του πυραύλου.

β) Αυξημένη καμπυλότητα του εδάφους στην περιοχή πτήσης.

γ) Καλά υπολογισμένη μανούβρα, απαραίτητη για την τοποθέτηση σε τροχιά.

δ) Όταν αποκολλάται ένα τμήμα – στάδιο του πυραύλου, χρειάζεται ένα χρονικό διάστημα για να προωθηθεί σωστά με το επόμενο τμήμα.

Απάντηση(Word) (Κατεβάστε το για να φαίνεται σωστά)

Απάντηση(Pdf)

Εξαιτίας της τριβής με τον λιγοστό αέρα, οι εγκαταλελειμμένοι δορυφόροι μετά το τέλος της χρήσιμης «ζωής» τους, χάνουν ενέργεια, εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, αναφλέγονται και καίγονται πριν φτάσουν στα κατώτερα στρώματά της.
Μπορούμε να υποθέσουμε ότι ένας τέτοιος δορυφόρος εκτελεί κυκλική τροχιά με ακτίνα που μειώνεται πολύ αργά. Η μάζα του είναι m = 500kg και η δύναμη τριβής που δέχεται από την ατμόσφαιρα έχει αλγεβρική τιμή , όπου c μια σταθερά που εξαρτάται από το σχήμα του σώματος και τιμής c = 0,24m², ρ η πυκνότητα του αέρα και υ το μέτρο της ταχύτητας του δορυφόρου.
i) Σαν αποτέλεσμα της απώλειας ενέργειας εξαιτίας της τριβής, το μέτρο της γραμμικής
ταχύτητας του δορυφόρου
α) αυξάνεται.
β) μειώνεται.
γ) δεν αλλάζει.
Σκεφτείτε και δικαιολογείστε τη σωστή απάντηση.

Συνεχίστε σε Word(Κατεβάστε το για να το δείτε σωστά)

Συνεχίστε σε Pdf

Ένας αστεροειδής κινείται στο διάστημα με σταθερή ταχύτητα υ_Α = 5km/s. Θέλουμε να προσγειώσουμε στην επιφάνειά του ένα εξερευνητικό, μη επανδρωμένο όχημα, μάζας m = 1200kg. Η ταχύτητα του οχήματος είναι ίδιας κατεύθυνσης με την  και μέτρου υ₀ = 5,1km/s. Για να επιβραδύνουμε το σκάφος, θέτουμε σε λειτουργία τους ανασχετικούς πυραύλους του για Δt = 4s, εκτοξεύοντας καυσαέρια προς την κατεύθυνση της κίνησης, όπως φαίνεται στο σχήμα 1, με αποτέλεσμα να ασκείται στο διαστημικό όχημα δύναμη, που το μέτρο της μεταβάλλεται χρονικά όπως στο διάγραμμα του σχήματος 2.
i) Γιατί η εκτόξευση καυσαερίων, προς την κατεύθυνση της κίνησης, επιβραδύνει το όχημα;
ii) Την απαιτούμενη δύναμη πέδησης στο όχημα δημιουργεί
α) ένα αλεξίπτωτο που ανοίγει την κατάλληλη στιγμή.
β) ένα ειδικό φρένο όπως στα αυτοκίνητα, που ενεργοποιεί ο υπολογιστής του σκάφους.
γ) τα καυσαέρια καθώς εξέρχονται από τα ακροφύσια των κινητήρων.
iii) Ποια μεταβολή ορμής προκαλούν στο σκάφος οι ανασχετικοί πύραυλοι; Να κάνετε κατάλληλο σχήμα με τα διανύσματα των ορμών.
iv) Υποθέτοντας αμελητέα την μεταβολή μάζας του οχήματος εξαιτίας της εκροής των καυσαερίων βρείτε ποια θα είναι η ταχύτητα του οχήματος στο τέλος αυτής της διαστημικής μανούβρας.
v) Αν η θερμαντική ικανότητα της υδραζίνης (Ν₂Η₄), δηλαδή του καυσίμου που κάηκε, είναι 20ΜJ/kg, υπολογίστε τη μάζα του.
Η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ του οχήματος και του αστεροειδούς είναι αμελητέα και οι ταχύτητες είναι υπολογισμένες ως προς ακίνητο παρατηρητή.

Απάντηση(Word)

Απάντηση(Pdf)

Η εξέδρα Γ, που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, χρησιμοποιείται σε πειράματα Φυσικής, έχει ρόδες και ηρεμεί πάνω σε οριζόντιο επίπεδο. Το σώμα Α έχει μάζα m = 20kg και με τη βοήθεια ενός αβαρούς μη εκτατού νήματος, είναι δεμένο στο βαρούλκο ενός περιστροφικού κινητήρα Ρ. Ο κινητήρας είναι αρχικά σβηστός, με αποτέλεσμα το σώμα Α να ηρεμεί πάνω στην οριζόντια πλευρά της εξέδρας. Η μάζα της εξέδρας, μαζί με τον κινητήρα, είναι M = 40kg. Θέτουμε σε λειτουργία τον κινητήρα, οπότε «ακαριαία» το νήμα, ξεκινά να τυλίγεται, στον περιστρεφόμενο κύλινδρο, ασκώντας στο σώμα, μέσω του νήματος, σταθερή δύναμη μέτρου  60N. Οι συντελεστές στατικής και τριβής ολίσθησης μεταξύ του σώματος Α και της εξέδρας είναι ίσοι με μ = 0,2 και οποιεσδήποτε άλλες τριβές στο σύστημα, θεωρούνται αμελητέες. Δίνεται: g = 10m/s². Το πείραμα μελετά ο ακίνητος παρατηρητής Π.

i) Σχεδιάστε τις δυνάμεις στο σώμα Α, εξηγείστε γιατί θα κινηθεί και υπολογίστε την επιτάχυνση που αποκτά.

ii) Εξετάστε αν το σύστημα εξέδρα Γ- σώμα Α είναι μονωμένο.

iii) Τη χρονική στιγμή t = 2s, βρείτε τα μέτρα των ταχυτήτων υ₁ του σώματος Α και υ₂ της εξέδρας Γ. Επιβεβαιώστε ότι η ορμή του συστήματος διατηρείται σταθερή. Μπορούσατε να έχετε προβλέψει το αποτέλεσμα αυτό;

iv) Τη χρονική στιγμή t = 2s υπολογίστε τις μετατοπίσεις του σώματος Α και της εξέδρας Γ και στη συνέχεια βρείτε την ενέργεια που προσέφερε στο σύστημα ο κινητήρας.

v) Υπολογίστε τη θερμική ενέργεια που παράχθηκε λόγω τριβής του σώματος Α πάνω στην εξέδρα.

vi) Ποιες ενεργειακές μετατροπές συμβαίνουν στο σύστημα;

Απάντηση(Word)

Απάντηση(Pdf)

Ο κατασκευαστής ενός παιδικού πυροβόλου, που φαίνεται στο σχήμα 1, θέλει να υπολογίσει το ελάχιστο μήκος που πρέπει να έχει η πλατφόρμα ΑΒ, ώστε αν τοποθετήσει το πυροβόλο ακριβώς στο άκρο Β, το βλήμα να μην πέφτει πάνω στην πλατφόρμα. Η μάζα του παιχνιδιού είναι M = 0,45kg και εκτοξεύει σφαιρίδια μάζας m = 0,05kg οριζόντια από ύψος h = 0,2m πάνω από την πλατφόρμα. Η ταχύτητα εκτόξευσης του σφαιριδίου ως προς τον ακίνητο παρατηρητή Π, έχει μέτρο |υ_σ| = 1,8m/s. Η εκτόξευση γίνεται με τηλεχειρισμό μικρού εκτοξευτήρα μήκους l = 0,15m, με τη βοήθεια ελατηρίου, που το φυσικό του μήκος φτάνει μέχρι το στόμιο εξόδου. Η σταθερά του ελατηρίου είναι k = 18N/m, η επιτάχυνση της βαρύτητας g = 10m/s² , δεν υπάρχουν τριβές και η εκτόξευση του σφαιριδίου διαρκεί αμελητέο χρόνο.
α) Αν αφήσει ελεύθερη την πλατφόρμα με ποια ταχύτητα θα κινηθεί αυτή αμέσως μετά την εκτόξευση του σφαιριδίου;
β) Πόσο πρέπει να είναι το ελάχιστο μήκος της πλατφόρμας για να μην πέσει πάνω της το βλήμα;
γ) Βρείτε την μέγιστη συσπείρωση του ελατηρίου και την αρχική επιτάχυνση του σφαιριδίου.

Απάντηση(Word)(Για να εμφανιστεί σωστά, κάνετε Αρχείο / Λήψη σε .docx)

Απάντηση(Pdf)