Guia del professorat

Solucionem el problema observant el cotxe des d'un sistema de referència inercial que es mou amb velocitat constant en la direcció del túnel i mòdul igual a la velocitat del cotxe en aquesta direcció, . Des d'aquest sistema veiem que el cotxe realitza un moviment circular uniforme amb velocitat ( vegeu la figura 4).
La velocitat mínima del cotxe per fer la virolla ha de ser tal que la seva component transversal al túnel, , faci que la reacció normal sigui, com a molt petita, igual a zero. D'aquesta manera es garanteix que el cotxe no perd el contacte amb el terra de la pared del túnel, és a dir, que no cau.

Així, si el túnel fa R=5m de radi:

Si tenim en compte que per fer la virolla el cotxe ha de recórrer una longitud transversal , el temps invertit serà:

Que és un temps bastant més petit que l'utilitzat per en Shumacher a l'anunci. Així, tot sembla indicar que l'anunci no és del tot realista!

La justificació de la manera de procedir anterior és dir que plantegem les lleis de la mecànica en un sistema de referènca inercial que viatja amb velocitat constant respecte del sistema de referènca fix al túnel. Així , respecte d'aquest sistema de referència mòbil, la trajectòria del cotxe és un moviment circular de velocitat constant amb mòdul igual a .

Si el problema el volem solucionar en el sistema de referència fix al túnel tenim que, de fet, el cotxe fa una trajectòria en forma d'hèlix de radi R i pas de rosca constant H. La velocitat del cotxe per aquesta trajectoria és v. Utilitzarem el radi de curvatura de l'hèlix i el fet que el cotxe, al fer la virolla, recorre una longitud . Donem sense demostració les expresions d'aquestes magnituds:

Utiitzant ara les mateixes expressions d'abans, aplicades ara a la trajectòria en hèlix, trobem

la velocitat que es requereix depèn, com era d'esperar, del pas de rosca, és a dir de la llargada de la virolla.

Ara el temps:

 

Que resulta ser independent de la llargada de la virolla i coincideix amb el càlcul que hem fet en el sistema de referència inercial mòbil, com era d'esperar!

Evidenment tot això sembla força complicat. Una altra manera de fer les coses és resoldre el problema a partir de l'expressió de la trajectòria i la llei moviment de Newton. La trajectòria, amb les condicions inicials a l'inici de la virolla ( vegeu la figura 5), és . L'acceleració la trobem derivant dos cops

Ara apliquem al punt més alt de la trajectòria. En aquest punt el temps compleix. Prenent la normal nul·la tindrem

D'aquí obtenim

Així, el temps que triga en fer tota la virolla serà

que coincideix amb el temps obtingut anteriorment.

Autor d'aquesta pàgina: Tavi Casellas, professor de física i química de l’IES-SEP Montilivi de Girona, i Xavier Jaén, professor de física de la UPC.

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons
Creative Commons License