null
Transcription
null
חוברת עזר לקורס פיסיקה ,1מכללת סמי שמעון פרק א' :וקטורים מאפיינים של ווקטור - גודל וכיוון - חוק החיבור חיבור ווקטורים נתונים שני ווקטורים Aו . B -הווקטורים מיוצגים גרפית על ידי חץ שאורכו פרופורציוני לגודל הווקטור וכיוונו הוא כיוון הווקטור. על מנת לחבר את הווקטור Bלווקטור , Aניקח את הווקטור Bונצמיד את ראשו לזנב של הווקטור . A מתקבל ווקטור חדש ) A Bהווקטור האדום(. מינוס של ווקטור נתון הווקטור A הווקטור Aהוא ווקטור שכאשר נחבר אותו ל Aנקבל אפס .על פי חוק החיבור הווקטור Aהוא, אם כן ,ווקטור שגודלו זהה לזה של הווקטור Aוכיוונו הפוך: 1 חיסור של שני ווקטורים נתונים שני ווקטורים AוB - נחבר את הווקטור , Bלווקטור ) Aכלומר: )( A B A ( B אפשר לקבל את הווקטור A Bגם על ידי שרטוט הווקטורים כאשר שניהם יוצאים מאותה נקודה, וחיבור זנבם: )קיבלנו בשתי הדרכים ווקטור זהה בגודלו ובכיוונו(. הערה :ווקטורים יוצרים משולש אם סכום )או הפרש( ווקטורי של שניים מהם שווה לשלישי. כפל בסקלר כפל של ווקטור Aבסקלר חיובי aשומר על כיוון הווקטור ומשנה את אורך הווקטור פי .a אם למשל a=2אז מתקיים , a A 2 A A A מתקבל ווקטור חדש בכיוון זהה של הווקטור , Aואורכו כפול. 2 אם הסקלר שלילי אז בנוסף לשינוי הגודל ,הווקטור גם הופך את כיוונו: הצגה של ווקטור הצגה פולרית )גודל וכיוון בשני מימדים( כדי לתאר ווקטור בשני מימדים )למשל מישור הדף( ניתן לציין את גודלו ואת כיוונו ביחס לציר שבחרנו )נהוג לבחור את ציר .(x גודל הווקטור מסומן Aאו פשוט ) Aבלי חץ α x למעלה( .והכיוון במקרה זה נקבע על ידי הזווית .α הצגה קרטזית -פירוק לרכיבים כתוצאה מחוק החיבור ניתן להחליף את הווקטור Aבשני ווקטורים מאונכים זה לזה ,בכיוון המסומנים xו- ,yווקטורים אלו נקראים רכיבי xו y-של הווקטור A y x מתקיים , A Ax Ayניתן גם לרשום ) . A ( Ax , Ay הקשר בין ההצגות )שני מימדים( כאשר ידועה הצגה אחת ניתן בעזרת פונקציות טריגונומריות sin, cos, tgלקבל את ההצגה האחרת. אם ידועים Aו , α-הגודל והכיוון של הווקטור Aאז הרכיבים מתקבלים על ידי: 3 Ax A cos Ay A sin )מעבר מהצגה פולרית לקרטזית( אם ידועים הרכיבים של הווקטור אז גודלו וכיוונו מתקבלים על ידי: A2 Ax 2 Ay 2 Ay Ax tg )מעבר מהצגה קרטזית לפולרית( המשואה הראשונה ידועה בשם "משפט פיתגורס". הצגה קרטזית בשלושה מימדים z את הרעיון של פירוק ווקטור לרכיביו ניתן ליישם גם לשלושה מימדים .בתרשים מוראה הווקטור Aשרכיביו ) ( Ax , Ay , Azהם בהתאמה ) – (2,4,5כל חץ אדום הוא באורך יחידה. y x ווקטור יחידה ווקטור יחידה הוא ווקטור שגודלו שווה ל .1-בהינתן ווקטור Aניתן להגדיר ווקטור יחידה ˆ" A) Aכובע"(, שהוא ווקטור שכוונו זהה לכיוון הווקטור Aוגודלו שווה ל .1-פשוט מחלקים את הווקטור Aבגודל שלו A עצמו. Aˆ : A ווקטורי יחידה מיוחדים הם הווקטורים ˆ) iˆ, ˆj , kהנקראים גם ˆ ( xˆ , yˆ , zשהם ווקטורי יחידה בכיוון x,y,zבהתאמה. בעזרת ווקטורי היחידה ניתן לרשום כל ווקטור ב 3-מימדים בצורה ˆ. A Ax iˆ Ay ˆj Az k הווקטור שהוזכר בדוגמה לעיל ייכתב בסימון זה ˆ. 2 iˆ 4 ˆj 5 k 4 חיבור ,חיסור וכפל בסקלר בעזרת פירוק ווקטור לרכיביו בעזרת הפירוק לרכיבים חיבור וחיסור ווקטורי נעשה פשוט :כל רכיב מתחבר )או מתחסר( באופן רגיל .אם נתונים הווקטורים ˆ A Ax iˆ Ay ˆj Az kו , B Bx iˆ B y ˆj Bz kˆ -אז ˆA B ( Ax Bx ) iˆ ( Ay By ) ˆj ( Az Bz ) k ובאופן דומה ˆ. A B ( Ax Bx ) iˆ ( Ay By ) ˆj ( Az Bz ) k בהכפלה של סקלר sבווקטור , Aכל רכיב של הווקטור מוכפל בסקלר: ˆs A s A iˆ s A ˆj s A k z x y מכפלה סקלרית מכפלה סקלרית היא פעולה בין שני ווקטורים שתוצאתה סקלר )לא מדובר בכפל בסקלר!(. מסמנים את המכפלה ("A dot B") A B יש שתי דרכים לחישוב מכפלה סקלרית. דרך א' -כשידועים רכיבי הווקטורA B Ax Bx Ay B y Az Bz : דרך ב' -כשידועים גדלי הווקטורים A ,ו ,B-והזווית ביניהם : A B A B cos אחד מהשימושים במכפלה סקלרית הוא למציאת זווית בין שני ווקטורים שרכיביהם ידועים: , A B Ax Bx Ay By Az Bz A B cos כאשר Ax 2 Ay 2 Az 2 . B Bx 2 B y 2 Bz 2 , A 5 מכפלה ווקטורית מכפלה וקטורית היא פעולה בין שני ווקטורים שתוצאתה ווקטור .מסמנים את המכפלה (A cross B) A B יש שתי דרכים לחישוב מכפלה ווקטורית. ˆk דרך א' -כשידועים רכיבי הווקטורAz : Ay ˆi A B Ax ˆj Bz By Bx דרך ב' -כשידועים גדלי הווקטורים A ,ו ,B-והזווית ביניהם : הגודל של המכפלה הוקטורית ניתן על ידי A B A B sin והכיוון הוא ניצב למישור שיוצרים שני הווקטורים ,ומקיים את כלל יד ימין: תרגילים )(1.1 נתון ווקטור דו ממדי A 2 iˆ 2 3 ˆj א .הצג/י את הווקטור בצורה פולארית )גודל +כיוון(. ב .מצאו את ווקטור היחידה ˆ. A )(1.2 נתון ווקטור דו ממדי . B 8 iˆ 6 ˆj א .הצג/י את הווקטור בצורה פולארית )גודל +כיוון(.. ב .מהו וקטור היחידה ˆ? B )(1.3 הוכח :אם סכום של שני ווקטורים מאונך להפרשם אזי אורכם שווה .רמז :מהי המכפלה הסקלרית של שני ווקטורים מאונכים? )(1.4 נתונים שני ווקטורים ˆ V1 6iˆ 2kו . V2 iˆ 4 ˆj 3kˆ -מצא/י את גודלו של א .ווקטור V3המקיים [ 90 ] . V1 V2 V3 0 : ב .ווקטור V4המקיים [ 42 ] V1 V2 V4 0 : 6 ) (1.5נתונים שני ווקטורים )A (3, 4) , B (6, 8 א .חשב/י את המכפלה הסקלרית . A Bמהי הזווית בין הווקטורים? ][106.30 ב .חשב/י את המכפלה הווקטורית A Bבשתי דרכים[ 48 zˆ ] . )(1.6 )(1.7 )(1.8 )(1.9 נתונים שני ווקטורים . B ( Bx , B y ,0) , A (3,1, 4) :מצא/י רכיבים Bxו By -כך ש B -יהיה ניצב ל Aואורכו יהיה 90יחידות[ ( 3 iˆ 9 ˆj ) ] . נתונים שני ווקטורים ˆ . B xˆ yˆ zˆ , A 3 xˆ yˆ 4 zמצא/י ווקטור שאורכו 10יחידות אשר ניצב למישור המוגדר על ידי Aו[ 2 / 7 ( 15 iˆ 5 ˆj 10 kˆ ) ] . B - נתון. B ˆi 3 ˆj 2 kˆ , A ˆj 4 kˆ : א .רשמו את הווקטור [ ˆi 4 ˆj 6 kˆ ] . C A B ב .רשמו את הווקטור [ ˆi - 2 ˆj 2 kˆ ] . D A B ג .רשמו את הווקטור [ -iˆ 2 ˆj-2 kˆ ] . K B A נתון . B 6 ˆi 5 ˆj kˆ , A 2 ˆi 3 ˆj 4 kˆ :מצא/י את: א. ב. ג. ד. אורכו של כל אחד מהווקטורים[ 62 , 29 ] . אורכו של סכומם[ 137 ] . A B , אורכו של הפרשם[ 45 ] . A B , הזווית בין Aו[ 57.15 ] . B - ) (1.10נתון . B 6 ˆi 4 ˆj kˆ , A 2 ˆi 3 ˆj 8 kˆ :מצא/י את: א. ב. ג. ד. אורכו של כל אחד מהווקטורים[ 53 , 77 ] . המכפלה הסקלארית [ 32 ] . A B המכפלה הוקטורית [ -29 iˆ 46 ˆj 10 kˆ ] . A B הזווית בין Aו[ 120.06 ] . B - 7 ) (1.11מצאו aו bכך שהוקטורים B a ˆi 3 ˆj :ו C 2 ˆi b ˆjיהיו מאונכים לווקטור 5 18 . A 5 ˆi 6 ˆjהוכיחו כי Bו Cמקבילים, a - ] . 3 5 [b - ) (1.12הראו כי שלושת הוקטורים B 6 ˆi 12 ˆj 4 kˆ , A 2 ˆi 13 ˆj 7 kˆ :ו, C 4 ˆi ˆj 3kˆ - יוצרים צלעות של משולש ישר זווית .מהן זוויות המשולש? חשבו את אורך היתר. ) (1.13נתונים . B ˆi 3 ˆj 5 kˆ , A - ˆi 2 ˆj kˆ :מצא/י את: א. ב. ג. ד. ה. אורכו של כל אחד מהווקטורים[ 6, 35 ] . המכפלה הסקלארית[-12]. A B , המכפלה הוקטורית[ 7 iˆ 4 ˆj kˆ ] . A B , הזווית בין Aו [ 145.9 o ] . B ווקטורי היחידה ˆ Aו , iˆ 3 ˆj 5kˆ ] . Bˆ - ˆ iˆ 2 ˆj k 35 6 ) (1.14על גוף נקודתי פועלים שני כוחותF 1 - ˆi 2 ˆj kˆ : [ . F2 ˆi 2 ˆj 3kˆ ,מצאו את: א .הכוח השקול )כלומר הסכום הווקטורי של שני וקטורי הכוחות([ 2kˆ ] . ב .גודל הכוח השקול[2] . ג .הזווית בין הכוח השקול וכל אחד מהצירים 90 ,90 ,0] .x, y, zמעלות[ ) (1.15נתונים 2וקטוריםA ( A X , AY , AZ ) : 1 3 1 3 B A X AY iˆ A X AY ˆj 2 2 2 2 א .מצאו את התנאי שעבורו יתקיים. A B : ] AZ 0 ב .בהנחה שסעיף א' מתקיים הראו כי. A B B : ג .מהי הזוית בין הוקטורים? ] [ 120o 8 2 2 2 2 2 AX AY AZ Ax AY B [ A ) (1.16הראו כי שלושת הוקטורים, C 4 iˆ 3 ˆj 5 kˆ , B 4 iˆ 3 ˆj 5 kˆ , A 3 iˆ 4 ˆj : ניצבים זה לזה. ) (1.17נתונים שני הוקטורים A 3 ˆi 4 ˆj :ו . B -6 ˆi 5 ˆjנתון כי מישור XYהוא מישור הדף. מגדירים את הווקטור . C A Bמצאו את גודלו וכיוונו של Cבשתי שיטות: א .ע"י שימוש בנוסחה: ˆk ˆj Az Bz Ay By ˆi A B Ax Bx ב .ע"י שימוש ב A B ABsinθ :ובחוק יד ימין )כלל הבורג( .שים לב שבמערכת ימנית תיקנית ברגע שנבחרו הצירים xו ,y -נבחר גם ציר .z ]תשובה :גודלו 39וכיוונו = הכיוון החיובי של ציר [z ˆv 2 iˆ 4 ˆj 6 k ) ביחידות ) (1.18נתונים וקטור מהירות ווקטור תאוצה של גוף ברגע מסוים: ˆa 10 iˆ 5 ˆj 20 k .(SIנהוג לרשום את ווקטור התאוצה באופן הבא aT , a a N aT :נקראת ווקטור התאוצה המשיקית ,והוא ההיטל של ווקטור התאוצה בכיוון המהירות )הנקרא כיוון משיקי ,כיוון שהוא משיק למסלול התנועה של הגוף( aN .נקרא ווקטור התאוצה הנורמלית וכיוונו ניצב לכיוון המהירות. 60 ˆ 90 ˆ 30 [ iˆ א .מצאו את וקטור התאוצה המשיקיתj k m / s 2 ] . 7 7 7 95 ˆ 50 ˆ 40 [ iˆ ב .מצאו את וקטור התאוצה הנורמליתj k m / s 2 ] . 7 7 7 9 פרק ב' :קינמטיקה ווקטור מיקום ווקטור המתאר את מיקומו של גוף )נקודתי( ביחס לראשית הצירים .סימון מקובל. r : כאשר הגוף זז ווקטור המיקום משתנה ,כלומר ,ווקטור המיקום תלוי בזמן . r (t ) :הקצה של ווקטור המיקום "מצייר" את מסלול התנועה של הגוף. מיקום הגוף בזמן t2 מיקום הגוף בזמן t1 מסלול התנועה ראשית הצירים משוואת המסלול היא משוואה המתארת את הקשר בין xו) y-ובשלושה מימדים גם .(z ווקטור העתק ווקטור העתק rהוא ווקטור המתאר את התזוזה של הגוף מנקודה אחת לאחרת .הווקטור מצביע מהנקודה הראשונה לנקודה השנייה .מתקיים: ) (1 )(2.1 . r r2 r1 נתון וקטור מיקום של גוף )ביחידות SIועבור r (t ) 10 t iˆ (20 15t 4.9t 2 ) ˆj ( t 0 א .חשב את ווקטור המיקום של הגוף בזמנים t=1secו.t=3sec - ] r (3) 30 iˆ 20.9 ˆj , r (1) 10 iˆ 30.1 ˆj [m ב .חשב את ווקטור ההעתק בין הזמנים t=1secועד r 20 iˆ 9.2 ˆj [m ] .t=3sec ג .מה מרחק הגוף מהראשית לאחר 3שניות? ] 36.56מ'[ כמה התרחק מנקודת המוצא לאחר 3שניות? ] 30.01מ'[ ד .מתי הגוף מגיע ל 4.07] ?y=0-שניות[ ה .מתי ,בין זמן ההתחלה לזמן ,t=3secנמצא הגוף הכי רחוק מהראשית? )רמז :מציאת מקסימום של פונקציה ,שימו לב :אמורים לקבל משוואה מסדר שלישי אותה אפשר לפתור אנליטית אבל גם נומרית, אפילו בעזרת מחשבון( ו. ] 2.435שניות ,מרחקו מהראשית 36.71מ'[ מהי משוואת המסלול של הגוף? ] , y 20 1.5 x 0.049 xמשוואת פרבולה[ 2 ז .האם יש בעיה המוכרת לך מקורס מבוא לפיסיקה המתאימה לבעיה זו? 10 ווקטור מהירות מהירות ממוצעת של גוף היא היחס בין ההעתק של הגוף )כמה הגוף זז( לזמן שעבר: r ) (2 vaverage t המהירות היא ווקטור! כיוון המהירות הוא כיוון ווקטור ההעתק .יחידות מדידה.m/s : המהירות של גוף ברגע ספציפי נקראת מהירות רגעית ומתקבלת על ידי הסתכלות על פרק זמן tקצר ) f (t t ) f (t f lim t 0 t t מאוד )שואף לאפס( .כאן נכנסת לתמונה הגדרת הנגזרת ) )( 3 lim t 0 ( df dt dr v dt כיוון ווקטור המהירות בכל רגע -משיק למסלול התנועה של הגוף. המהירות היא קצב השינוי )נגזרת( של ווקטור המיקום. ווקטור תאוצה תאוצה ממוצעת של גוף בין שתי נקודות היא היחס בין שינוי המהירות של הגוף לזמן שעבר: v )(4 aaverage t התאוצה היא ווקטור! יחידות מדידה.m/s2 : התאוצה של גוף ברגע ספציפי נקראת תאוצה רגעית ומתקבלת על ידי הסתכלות על שינוי המהירות בפרק זמן tקצר מאוד .שוב נכנסת לתמונה הנגזרת: dv a dt )(5 התאוצה היא קצב השינוי )נגזרת( של ווקטור המהירות. המשך תרגיל )(2.1 ח .מצא את ווקטור המהירות של הגוף כתלות בזמן[m / s ] . v ( t ) 10 iˆ (15 9.8 t ) ˆj ט .מצא את ווקטור התאוצה כתלות בזמןa (t ) (9.8m / s 2 ) ˆj . 11 )(2.2 א. נתון ווקטור מיקום של גוףr (t ) At 3 iˆ B e t ˆj : מהן היחידות של A m / s3 , B m, 1 / s ] ? A, B, α [ נתון כי) A 1, B 1000, 1 :ביחידות המתאימות ב(SI- ב .מהו מיקום הגוף ברגע ההתחלתי ?t=0מהו מיקומו ב?t=3sec- ] r (0) 1000 ˆj , r (3) 27 iˆ 49.79 ˆj [m ג .מהי מהירותו ההתחלתית של הגוף? מהי מהירות הגוף ברגע ?t=3sec ] v (0) 1000 ˆj, v (3) 27 iˆ 49.79 ˆj [m / s ד .מהי תאוצת הגוף ברגע a (3) 18 iˆ 49.79 ˆj [m / s 2 ] ?t=3sec ה .מהי הזווית בין ווקטור המהירות ווקטור התאוצה בזמן ?t=3secהאם מהירות בזמן זה גדֵ לה או ק ֵטנה? ] ,1320ק ֵטנה[ ו .מצא את a vברגע [m 2 / s 3 ] .t=3sec ˆ-2240.55 k ז .מהי המהירות הממוצעת של הגוף בין הזמנים t=1secו?t=3sec- ] vavrage 13 iˆ 159 ˆj [m / s קבלת המהירות והמיקום על ידי אינטגרציה t )(6 dv a dt dr v dt ) r(t t0 t ) (7 t0 )(2.3 ) v(t t t0 v0 v (t ) v0 a dt t r (t ) r0 v dt t0 r0 ˆ . a (t ) (4 t 2 ) iבזמן ההתחלתי ,t=0 ,הגוף נמצא תאוצתו של גוף נתונה בנוסחה m / s 2 : בנקודה . r0 5 iˆ mמהירותו של הגוף באותו רגע הייתה. v0 (10 iˆ 2 ˆj ) m / s : א .מהו ווקטור המהירות של הגוף כפונקציה של הזמן? m / s v (t ) (10 4t t 3 / 3) iˆ 2 ˆj ב .מהו ווקטור המיקום של הגוף כפונקציה של הזמן? r (t ) (5 10 t 2t 2 t 4 / 12) iˆ 2t ˆj m ג .מתי גודל מהירות הגוף מקסימאלי? מהו גודל זה? )מקסימום מקומי בזמן ,t=2secגודל המהירות אז .15.46m/sמ t=4.3475sec-המהירות הולכת וגדלה ושואפת לאינסוף(. 12 תי של גוף נקודת אורך מסלול ש חישוב א t 2 2 t1 1 1 2 ידוע ווקטור המהירות של גוף אזי . L dr dx 2 dy 2 dz 2 v x 2 v y 2 vz 2 dt אם ע נקודות 1ו 2-הן שתי נקודות זמן שונות כלשהן. את אורך המסלוול באופן הבא :נניח שנתון ) y(xxאזי שוואת המסלולל נוח לחשב ת בבעיות בהן ידועה מש dy y ' dxולכן: 1 y ' dx 2 x2 2 2 x1 1 1 L dr dx 2 dy 2 תנועה ביחס ללמערכות ייחוס שונות תיאור ת של גוף ,התיאורר תמיד נעשה ביחס למערכת מסוימת .אם אומרים שגוף נמצאא על פי כדור האארץ כאשר מתתארים מיקום ש במנוחה ,הכוונה היא לככך שהגוף במנוחחה ביחס לנקודהה נייחת על כדורר הארץ .אבל יחחסית לצופה הנמצא על הירח גגוף של גוף נקודתי ,צריך לבחור בייחס לאיזו נקודהה )או בתיאור קקרטזי רוצים לתאר מיקום ש ם זה אינו בבמנוחה .בכל בעעיה שבה ביחס לאאיזו מערכת ציריים( מתוארת התתנועה. דוגמה איש נמצצא על רכבת והולך בתוכה בבמהירות 10קקמ"ש בכיוון יממין .מהירות זוו היא ביחס לררכבת .נסמנה של = relative) vrelativeיחסי( .הרכבתת נוסעת ימינה במהירות 1100קמ"ש )יחסיית לקרקע( .מההי המהירות ש האיש ביחס לקרקע? ההיגיון אומר 110קמ"ש. v1 v2 vrelativee 100 10 110 km / hour מיקום ,מהירות ותאוצצה יחסיים גווף 2 נתונים ווקטורי המיקוום של שני גופפים 1 ,ו ,2-בייחס גוף 1 למערכתת צירים מסויממת: ראשית ציירים 13 ווקטור המיקום של גוף 2ביחס לגוף ,1הוא ווקטור היוצא מגוף 1לגוף .2לפי מה שלמדנו בחשבון ווקטורי זהו בדיוק הווקטור . r2 r1כלומר ניתן לרשום r relative r2 r1 )(18 כמובן שהמיקום של גוף 1ביחס לגוף 2הוא הווקטור , r1 r2שגודלו זהה וכיוונו הפוך. מווקטור המיקום היחסי בין הגופים ניתן לקבל את ווקטור המהירות היחסית )של גוף 2ביחס לגוף ,(1פשוט גוזרים: )(19 relative v2 v1 v relative a2 a1 a וגם את ווקטור התאוצה היחסית )עוד גזירה( )(20 איך כל זה קשור לרכבת ולאדם מההקדמה? ַבּדוגמה ,גוף 1זו הרכבת ,שמהירותה ביחס לקרקע . v2 100km / hמהירות האדם ביחס לקרקע איננה ידועה ) ? .( v1 המהירות היחסית של גוף 2ביחס לגוף ) 1האדם ביחס לרכבת( ,נתונה v relative 10 km / hומכאן v1 v2 v relative v1 110 km / h )(2.4 v2 v1 relative v מטוס טס בכיוון דרום-מזרח במהירות שגודלה 360קמ"ש .רכבת נוסעת בכיוון צפון במהירות שגודלה 90קמ"ש .המהירויות נתונות ביחס לקרקע .מהו גודל המהירות של המטוס ביחס לצופה נייח היושב ברכבת? )(2.5 נתונים ווקטורי המיקום של שני גופים )ביחס לאותה מערכת צירים(, r1 (t ) 3 iˆ 4 t ˆj 5t 2 kˆ : ˆ. r2 (t ) 2 t 3 iˆ (2 t ) ˆj k א .מהי מהירות גוף 2ביחס לגוף ?1 ב .מהי תאוצת גוף 1ביחס לגוף ?2 14 תנועה מעגלית מיקום :מתואר על ידי זווית )") (tמיקום זוויתי"( .נהוג למדוד את הזווית ברדיאנים. מהירות זוויתית :קצב שינוי הזווית – כמה זווית )ברדיאנים( הגוף עובר בזמן )בשנייה( .סימון : d dt )(8 תאוצה זוויתית :קצב שינוי המהירות הזוויתית .יחידות :רדיאנים\שניה .2סימוןα : d dt )(9 קשר בין גדלים זוויתיים וגדלים משיקיים בתנועה מעגלית◌ׁ)רדיוס Rקבוע( ) Tמסמן משיקי(tangential , )(10 , xT Rמסומן גם באות ) sקשר זה נובע מהגדרת הרדיאן(. dxT d )R (11 dt dt v vT v R dvT d )R (12 dt dt aT aT R תיאור קרטזי של תנועה מעגלית נבחר את ראשית הצירים במרכז המעגל ונסמן ב (t) -את המיקום הזוויתי של הגוף ,כאשר הזווית נמדדת מציר ) xוגדלה נגד כיוון השעון ,כמו באיור(. y גודלו של ווקטור המיקום של הגוף שווה לרדיוס המעגל .R הגוף הווקטור עצמו )כתלות בזמן( נתון על ידי )(13 . r (t ) R cos iˆ R sin ˆj על מנת לקבל את מהירות הגוף נגזור את ווקטור המיקום: ˆ d ˆ d . v (t ) R sin i R cos j dt dt d שימו לב לנגזרת הפנימית dt שהיא בעצם המהירות הזוויתית של הגוף. 15 x r )(14 . v (t ) R ssin iˆ R cos ˆj .v = תרגילון :הראו שגודלל ווקטור המהיררות נתון ,כצפפוי ,על ידיR : כדי לקבבל את התאוצהה צריך לגזור אאת ווקטור המהירות .זה לא נורא אבל צרייך לקחת בחשבבון שבמקרה של מכפלה(. הכללי גגם וגם תללויים בזמן ולככן בגזירה צריךך לגזור את שנניהם )נגזרת ש .(α שטות נסתכל עעל המקרה הפררטי של תנועה קצובה :תנועהה במהירות זווויתית קבועהה )כלומר α=0 לשם פש במקרה זה גודל מהירוות הגוף נשמרר )כמו אוטו הננוסע בסיבוב ככאשר הספידוממטר מראה כל הזמן על אותו מספר( .מגזירה של נוסחה ) (14מקקבלים את התאאוצה . a (t ) R cos 2 iˆ R sin 2 ˆj שום נוסחה זו בבאופן קומפקטטי יותר על ידי שימוש בנוסחחה )(13 שימו לבב לנגזרת הפנימית .ניתן לרש . a (t ) 2 ( R coss iˆ R sin ˆj ) 2 r )(15 מכאן רוואים מיד שגודדל התאוצה הואא ,2Rוכיווננה מנוגד לכיוון ווקטור המיקקום ,כלומר ,כללפי מרכז המעעגל. מהירות. שינוי כיוון המ הרדיאלית )אוו מרכזית ,או צצנטריפטלית( ההמתארת את ש קיבלנו אאת התאוצה ה בבעיה ככללית יותר גם גודל המהירות משתנה ,קייימת בנוסף לתאאוצה הרדיאליית גם תאוצה ממשיקית הקשורה שיקית קשורה לשינוי גגודל המהירות :מסמנים את ההרכיב המשיקי של התאוצה ) aTכאמור :התאוצה המש dv לשינוי גודל המהירות( .כבר ראינו שמתקיים R dt . aT שיקית מכוונת לאורך קו הממשיק למעגל ))ולכן התאוצה הרדיאלית ממכוונת כלפי ממרכז המעגל .התאוצה המש ה מאונכת לתאוצה הרדייאלית( .אם רווצים לקבל אתת התאוצה השקקולה של הגוף משתמשים בחחשבון ווקטוריי: )(16 , a aR 2 aT 2 השקולה aוהכיוון הממשיקי נתונה עע"י ה והזווית בין וקטור התאאוצה )(17 aR aT . tg aR היא בבעצם הזווית בבין ווקטור המההירות לווקטורר התאוצה. 16 aT a )(2.6 המהירות הזוויתית של גלגל בעל רדיוס 0.5mנתונה במשוואה ) (t ) 4 e0.2 tהזווית נמדדת ברדיאנים והזמן בשניות( .בתחילת התנועה ) (t = 0הזווית שווה ל 15-רדיאנים. א .מצא/י את המיקום הזוויתי של הגלגל ) . ( tמהי הזווית לאחר 3שניות? ] [ (t ) 20 e0.2 t 16, (3) 20.44rad ב .מהי המהירות המשיקית של נקודה הנמצאת על היקף הגלגל כתלות בזמן וכן לאחר 3שניות? ] [ v (t ) 2 e0.2 t , v (3) 3.64 m / s ג .מהן התאוצה הרדיאלית והתאוצה המשיקית של אותה נקודה כתלות בזמן? ] [ a R 8 e0.4 t , aT 0.4 e0.2 t ד .מהי גודל התאוצה השקולה של הנקודה הנ"ל לאחר 5שניות? ] [ 59.1 m / s 2 ה .מהי הזווית בין ווקטור התאוצה השקולה לבין ווקטור המהירות של הגוף לאחר 5שניות? ] [ 1.053o )(2.7 נתון ווקטור המיקום של גוף שמסתו :m=1kg , r (t ) 10 cos(2 t 2 ) iˆ 10sin(2 t 2 ) ˆjכאשר המרחק נמדד במטרים והזמן 3 3 בשניות. א .מהי משוואת המסלול של הגוף? ] [ x 2 y 2 102 ב .תוך כמה זמן )מרגע (t=0ישלים הגוף הקפה מלאה? ] 1שניה[ ג .מהי מהירותו ברגע שבו השלים הקפה מלאה? ] [ v 20 3 iˆ 20 ˆj ד .מצא/י את הגדלים של התאוצות – המשיקית ,הרדיאלית והשקולה ,ברגע בו משלים הגוף הקפה מלאה .מהי הזווית בין ווקטור התאוצה השקולה של הגוף לבין ווקטור מהירותו ברגע זה? ] [ 40 m / s 2 , 160 2 m / s 2 , 1584 m / s 2 , 85.450 17 תרגילים נוספים ) (2.8חלקיק נע במישור xyבמהירות v (t ) v x (t )iˆ v y (t ) ˆjובתאוצה . a (t ) a x (t )iˆ a y (t ) ˆj הראה כי גודל המהירות קבוע רק אם מתקיים הקשר . a x v x a y v y 0מה המשמעות של תנאי זה? )(2.9 הדרכה :גזור את גודלה של המהירות. מסוק ממריא משדה התעופה ברגע . t 0מיקומו ביחס למגדל הפיקוח נתון על ידי וקטור המיקום הבא . r (t ) (50 0.02t 3 )iˆ (70 2.5t ) ˆj 0.08t 2 kˆ :כל הגדלים במשוואה זו הם במערכת .[mks]SI א .בכמה יתרחק המסוק מנקודת ההמראה תוך 10שניות ? ) 33מ'( ב .מה תהיה מהירות המסוק לאחר 10שניות ? ) ˆ( 6 iˆ 2.5 ˆj 1.6 k ג .מה תהיה הזווית בין מהירות המסוק לבין תאוצתו לאחר 10שניות? ) (23.060מהי התאוצה המשיקית של המסוק? ) (1.114 m/s2הערה :התאוצה המשיקית של המטוס היא הרכיב של התאוצה שכיוונו ככיוון המהירות ,כלומר .aT = a cos : ) (2.10חלקיק נקודתי נע במישור לפי המשוואות הפרמטריות הבאות: x R sin(t ) Rt y R cos(t ) R , כאשר , Rהם קבועים .המסלול המתואר ע"י שתי המשוואות נקרא ציקלואידה והוא מתאר את תנועתה של נקודה על היקפו של גלגל המתגלגל ללא החלקה כשמרכזו נע במהירות קבועה. א .צייר את מסלול התנועה )בחר .( R 1m, 1rad / s v ( R cos(t ) R ) iˆ R sin(t ) ˆj ב .מצא את הביטויים למהירות ולתאוצה. a 2 R sin(t ) iˆ 2 R cos(t ) ˆj ג .חשב את המהירות והתאוצה כאשר החלקיק נמצא בנקודה הנמוכה ביותר והגבוהה ביותר. v 0 ˆv 2 R i , ובנמוכה ביותר )בגבוהה ביותר ,y=2Rואז: .( a 2 R ˆj a 2 R ˆj 18 ) (2.11ברגע t 0נמצאת מכוניתת Bבצומת ונעה במהירות vB 40m / sמזרחה .מכונית Aהנמצצאת 100mדרומית לצומת נעה בבמהירות v A 30m / sצפפונה. B א .כעבור ככמה זמן יהיה ההמרחק בין הממכוניות מינימללי? מהו המררחק המינימלי?? ] 1.2שניה 80 ,מ'[ הדרכהה: קבל ביטטוי למרחק כתלות בזמן ומצאא אקסטרימום. ב .רשום את ווקטור המייקום של מכוניית Bביחס לממכונית ) Aכתתלות בזמן( .ממהי המהירות ההיחסית של גוף B ביחס ל? A- ת שבזמן ג .הראה ש שמצאת בסעיף א' )ההוא הזמן בו ההמרחק בין הגוופים מינימלי(( ווקטור המיקום היחסי מאונך לווקטור המהירות היחסית .נסו לההבין למה זה כך .נסו להוככיח כי כאשר גוף נמצא בממרחק ר אקסטריימלי מגוף אחרר אז ווקטור הממיקום והמהירות היחסי מאוננכים זה לזה. ) (2.12טוררבינה שמסתובבבת בתדירות של 180סל""ד )סיבובים ללדקה( ,מתחילהה להאט בתאווטה זוויתית קבבועה של . 3rad sec2 המהירות הזוויתית כתתלות בזמן? ת א .מהי מהירותתה הזוויתית הההתחלתית ? מהי ] 6 rad sec , 0 [ t 6 3t ב .לאחר כמה זממן תעצור הטוורבינה? ] [ t 2 sec ג .כמה סיבובים ם תעשה עד לעעצירתה? ] [ rounds ) (2.13גלגגל בעל רדיוס של 50ס"ממ ,מסתובב בתתדר של 4סייבובים לשניהה .הגלגל מתחחיל להאט בתאאוצה זווייתית. α 4t : א .לאחר כמה זממן נעצר הגלגלל? ] [ t 2 π sec 16 π ם משלים הגלגגל עד לעצירה?? ] ב .כמה סיבובים 3 ססיבובים[ של נקודת הקצהה של גלגל מססתובב מתאוצתתה הרדיאלית ,אם שבו פי כמה גדדולה התאוצה המשיקית ל ) (2.14חש שווה ל] . 30 -פי [ 3 ידועע שהזווית בין התאוצה השקקולה לבין המההירות הקווית ש 19 ) (2.15גוף נע בתנועה מעגלית לפי משוואת התנועה .(SI) r 4cos 3πt ˆi 4sin 3πt ˆj א .חשב/י את וקטור המהירות כפונקציה של הזמן[ v 12 sin 3πt ˆi 12 cos 3πt ˆj ] . ב .חשב/י את וקטור התאוצה כפונקציה של הזמן[ a 36 2 cos 3πt ˆi 36 2 sin 3πt ˆj ]. ג .תאר/י את תנועת הגוף .מהי משוואת המסלול? ] [ x 2 y 2 16 ד .הראה/י שווקטור המהירות מאונך לווקטור rבכל .t החל מרגע מסוים )אפשר לקחת רגע זה כ ,(t=0-מתחיל הגוף להאיץ בתאוצה זוויתית קבועה .ידוע כי מהירותו הזוויתית גדלה פי 2תוך 3שניות. ה .חשב/י את התאוצה הזוויתית של הגוף[ rad / s 2 ] . ו .מהו גודל התאוצה השקולה של הגוף 2 ,שניות לאחר תחילת ההאצה? ][987m/s2 ז .חשב/י את , aוקטור התאוצה השקולה של הגוף 2 ,שניות לאחר תחילת ההאצה,אם ידוע שהגוף החל האיץ מהנקודה ˆ[ a 4(5 ) 2 ˆi 4 ˆj ] . r 4i ) (2.16מיקום של גוף נקודתי נתון במשוואה ) r 5sin t ˆi+4 cos t ˆj :המיקום במטרים ,הזמן בשניות(. א. מצא את משוואת המסלול של הגוף? ב. מצא את רגעי הזמן שבהם המהירות ורדיוס-ווקטור מאונכים[ t n sec ] . ג. מצא את תאוצת התנועה והראה שהיא מכוונת כלפי ראשית הצירים. [x 2 y2 ] 1 25 16 2 ] [ at 5 2 sinπ t iˆ 4 2 cosπ t ˆj ד. מצא באיזה רגעי זמן גודל התאוצה הוא [ t 0.25 n sec ] . v 2 r ה. חשבו את המרחק המינימאלי של הגוף מראשית הצירים .כמה פעמים ,במשך מחזור תנועה אחד, מגיע הגוף למרחק המינימאלי מהראשית? ] , 4 mפעמיים[ ו. מצא את וקטור היחידה ˆ] . r 5 sin π t iˆ 4 cosπ t ˆj 5 sin π t 4 cosπ t 2 2 rˆ [ ) (2.17גלגל מסתובב לפי משוואת התנועה ) A t t 2 t 3הזווית נמדדת ברדיאנים ,הזמן בשניותA , קבוע( .ידוע שבזמן t 2secהתאוצה הרדיאלית של נקודה הנמצאת בקצה הגלגל שווה ל.346m/s2 - א .מה המשמעות של הקבוע ) ?Aזווית התחלתית( ב .מהו רדיוס הגלגל? ] 1.197מ'[ ג .חשב/י את גודל התאוצה )השקולה( בזמן 346.4] . t 2secמ\ש[2 20 ) (2.18נקודה מסתובבת במסלול בעל רדיוס 2ס"מ .המרחק שהנקודה עוברת במסלול זה )על קשת המעגל( נתון ע"י . s 0.1t 3מצאו את התאוצה המשיקית ,את התאוצה הרדיאלית ואת התאוצה השקולה של הנקודה, ברגע בו מהירות הנקודה שווה ל 4.54 ,4.5 ,0.6] . 0.3 m / s -מ\ש[2 ) (2.19מיקום של גוף נתון לפי) r t 5 cos 2 π t iˆ 4 cosπ t ˆj :המרחק נמדד במטרים ,הזמן בשניות(. 2 א .מצא את מסלול התנועה של הגוף[ x 5 y ] . 16 ב .מצא את הביטוי למהירות הגוף .באיזה רגעי זמן המהירות היא בכיוון ציר ? y ] , -5π sin 2π t iˆ 4π sin π t ˆj m , t mהוא שלם חיובי[ 0.5 m ג .מצא את תאוצת הגוף .מהו גודלה ברגעים בהם המהירות מתאפסת ? ] 10π 2 , 116π 2 , 116π 2 , 100π 4 cos 2 2π t 16π 4 cos 2 π t הכל ב -מ\ש[2 ) (2.20נתון מיקומו של גוף) r (4t 2t 2 )iˆ (3t 1.5t 2 ) ˆj :המרחק-במטרים ,הזמן-בשניות(. א .מצא את משוואת התנועה של הגוף. ב .מצא את מהירות הגוף .מהו גודל המהירות בזמן ? t 2sec ג .מצא את תאוצת הגוף. ) (2.21נתון מיקומו של גוף) r 3e3t iˆ 30t 2 ˆj :המרחק במטרים ,הזמן בשניות(. א .מצא/י את משוואת המסלול של הגוף. ב .מצא/י את מהירות הגוף .מה גודל מהירות הגוף ב ? t 2 sec ג .מצא/י את תאוצת הגוף. ) (2.22נתונה מהירותו של גוף) v 3e 3t iˆ 30t 2 ˆj :המהירות נמדדת במטרים והזמן בשניות( .בתחילת התנועה ) ( t 0הגוף נמצא בנקודה . r0 iˆ 3 ˆj א .מצא את משוואת התנועה של הגוף )כלומר מיקומו כתלות בזמן([ r e3tiˆ (3 10t 3 ) ˆj ] . ב .מצא את משוואת המסלול y 3 10 (ln x )3 ] .אפשר גם: 9 ( y 30)/10 3 * [ x e3 ג .מצא את תאוצת הגוף כפונקציה של הזמן ואת גודלה בתום השנייה הראשונה ) .( t 1sec ] ˆ[ a (1sec) 18.77 iˆ 60 ˆj [m / s 2 ] , a (t ) 9e3t iˆ 60tj 21 ) (2.23המיקום של חלקיק לאורך ציר ה x-תלוי בזמן לפי המשוואה הבאה x) x At 2 Bt 3 :במטרים וt - בשניות( .תחילת התנועה הוא הרגע . t 0 א .מהן היחידות של Aו [ m / s 3 , m / s 2 ] ?B עבור הסעיפים הבאים הערכים המספריים של Aו B-הם 3ו 1-בהתאם )ביחידות המתאימות ב.(SI- ב .באיזה זמן מגיע החלקיק למיקומו המקסימלי לאורך ציר ה[ t 0.222 sec ] ? x- ג .מה אורך המסלול שהחלקיק עושה ב 4-השניות הראשונות? ] [ 176.016 m ד .מהו העתק הגוף ב 4-שניות אלו? ] [ 176 m ה .מהי מהירות החלקיק ותאוצתו בסוף 4השניות הראשונות? ] [ 70 m s 2 , 136 m s ו .מהי המהירות הממוצעת של החלקיק בין t=2לבין [ 78 m s ] ? t=4 ) (2.24פגז נורה מתותח העומד למרגלות הר בעל שיפוע קבוע ) β 450יחסית לאופק( .הפגז נע בנפילה חופשית )כלומר תאוצתו gכלפי מטה( .מהירותו ההתחלתית של הפגז . v0 א .רשום את ווקטור המיקום של הפגז )בחר את ראשית הצירים בנקודת היציאה שלו( ,כתלות בזמן, 2 בזווית αובפרמטרים האחרים בבעיה[ r t v0 cos iˆ v0 sin gt ˆj ] . 2 ב .מצא ביטוי למרחק של נקודת הפגיעה מנקודת המוצא של הפגז )בהנחה שגודל המהירות אינו מספיק כדי לעקוף את ההר( ,כתלות בזווית αובפרמטרים האחרים בבעיה. 2v02 sin 2 ] tan cos 2 g cos 2 [ L רמז :אם בחרתם מערכת צירים xyכמוראה y באיור ,בנקודת הפגיעה מתקיים tg x y . מכאן מקבלים גם שהמרחק המקסימלי נתון ע"י L x 2 y 2 x 2 ( x tg ) 2 x / cos 2 . ג .באיזו זווית ) αיחסית לאופק( יש לירות את x הפגז כדי שפגיעתו בהר תהיה הרחוקה ביותר? הדרכה :מצאו את המינימום של הפונקציה שמצאתם בסעיף הקודם .ניתן להיעזר בזהות: . cos(2 ) cos2 sin 2 תשובה. 67.50 : הערה :במקרה של βכלשהי התשובה תהיה . (β 900 ) / 2 22 ) (2.25שתי סירות יוצאות מנמל משתי נקודות שונות שהמרחק ביניהן הוא 500מטרים .סירה Aמתחילה מתנועה במהירות קבועה בקו ישר ,כמשורטט .וגם סירה Bמתחילה מתנועה בקו ישר ,כמשורטט. נתונים. v B 2 m / s , v A 15 m sec : א .רשום את וקטור מיקום הגופים ביחס למערכת צירים xyסטנדרטית הנמצאת במיקום ההתחלתי של סירה .B ] rB t 2 cos 30 t iˆ 2 sin 30 t ˆj m [ rA t 500 15 cos 45 t iˆ 15 sin 45 t ˆj m ב .מתי המרחק בין שתי הסירות מינימאלי ? ] [ t 25.2 sec ג .מהו המרחק המינימאלי בין שתי הסירות ? ] [ 285.7 m ד .מהי המהירות היחסית בין שתי הסירות כפונקציה של הזמן ? ˆ ˆ ] [ (12.3 i 9.6 j ) m / s ה .הראו שברגע בו המרחק ביניהן מינימאלי ,המהירות היחסית ניצבת לווקטור המיקום היחסי. 23 פרק ג' :חוקי ניוטון חוק :Iחוק ההתמדה )שנוסח לראשונה על ידי גליליאו( .גוף שעליו לא פועלים כוחות )או שהכוח השקול עליו שווה לאפס( יתמיד במצבו :אם נייח יישאר נח )הגיוני!( ואם נע במהירות ימשיך לנוע באותה מהירות כווקטור )בתוספת הזו לחוק מתחילה המהפכה המחשבתית בהבנת תנועת גופים(. חוק :IIסכום הכוחות על גוף פרופורציוני לתאוצת הגוף .מקדם הפרופורציה הוא מסת הגוף ,המתארת כמה קשה לשנות את מצבו של הגוף )כלומר להאיצו( .ובנוסחה. F m a : חוק :IIIחוק הפעולה והתגובה ,חוק ה"קונטרה" ,כוחות באים בצמדים שווי גודל והפוכי סימן :אם גוף א' מפעיל כוח Fעל גוף ב' ,אז גוף ב' מפעיל על גוף א' כוח השווה בגודלו ומנוגד לכיוונו ).(-F טיפול בבעיות עם כוחות :נטפל בקורס במספר מקרים פרטיים: מקרה א' :כוח התלוי בזמן .במקרה זה נקבל מהחוק השני של ניוטון כי התאוצה תלויה בזמן .מווקטור התאוצה ניתן לקבל את וקטור המהירות על ידי אינטגרציה .ע"י אינטגרציה נוספת נקבל את ווקטור המיקום של הגוף. דוגמאות: )(3.1 זריקה עם כוח נוסף :גוף בעל מסה של 0.2 kgנזרק בכיוון אופקי במהירות 10 m sמנקודה הנמצאת בגובה 60 mמהקרקע .בזמן תנועתו הרוח מפעילה על הגוף כוח Fאשר תלוי בזמן לפי המשוואה . F 1.2t ˆi-0.4 ˆjבתשובות נלקחה תאוצת כובד .g=10m/s2מצא/י את: א .משוואת התנועה של הגוף ,כלומר ,וקטור המיקום שלו. r t t 3 10t ˆi 6 t 2 60 ˆj 12 y ב .משוואת המסלול של תנועת הגוף 10 10 . 6 32 y ( x 10 6 ג .מתי הגוף יפגע בקרקע ובאיזה מרחק מהמצב ההתחלתי? ) ( t 10 sec , 87.2 m 24 )(3.2 גוף הנע על ממישור :גוף שממסתו 2kgנע על מישור אופפקי ) xyהמיש שור אופקי משממע שכוח הכובבד מאונך למישוור ומאוזן על יידי הכוח הנורמל( .נתונים ממהירות הגוף וממיקומו בזמן , v 0 5iˆ : t=0 . r0 ˆi 3 ˆjנתון גם הכוחח השקול הפועעל על הגוף )) 2 e t ˆi 6t 2 ˆjהזמן ב sec -והכוח ב.(N - מצא/י את: א. מהירות הגוףף כתלות זמן( v t e t 4 ˆi t 3 ˆj ) . ב. t4 t ˆ וקטור המיקוום של הגוף כתתלות בזמן( r t e 4t i 3 ˆj ) . 4 4y 12 4 (x e ג. משוואת המססלול של הגוף?? ) 4 4 4y 12 ד. המהירות של הגוף לבין ווקטור התאוצה שלו ב. t=3seec- ת הזווית בין וקקטור )(3.3 מונח על ם כוח נטוי בזוווית התלוי בזמן :הגוף שבצייור ,מסתו 3000grוהוא ח גוף הנע לאוררך קו ישר עם ם(. הרצפה .בזמןן t = 0מתחילל לפעול על הגגוף כוח שגודללו ) F 2tהזמן בשניות וההכוח בניוטונים הכוח פועל בבזווית α=370יחסית לציר ההתנועה )ציר .(x 1 נתון כי מקדם החיכוך )הסטטי ווהקינטי( בין ההגוף והרצפה ההוא 3 . F שטות החישוב קחוα = 0.6, cosα = 0.8: לפש . g = 10m/s2, sinα א .מתי יתחיל ההגוף לנוע? ][0.5 seec α ב .מהי מהירות הגוף לאחר 2שניות? ] [ 7.5 m / s x ג .מה המרחק ש שהתקדם הגוף עד לניתוקו ממהקרקע ? ] 80 / 9 8.9ממטרים[ )(3.4 ם גלגלת :שני גגופים Aו– Bשמסותיהם mA=33kg, mB=2kggקשוריים זה גופים התלוייים על חוט עם לזה באמצעות חוט הכרוך סביב גלגלת .ניתן להזניח אאת מסת החוט ואת כל כוחותת החיכוך. החל מררגע t=0ועד לרגע t=2sאדדם מחזיק בגוף ,Bכך ששני הגופים נמצאיים במנוחה 3.5mמעל לרצצפה. בגובה m נמצאים במנוחה ? מההו הכוח )גודל ם א .מהי המתייחות בחוט במצצב שבו שני ההגופים שמפעילה יד ההאדם על הגוף Bבמקרה המתואר בסעיף קקודם ? וכיוון( ש ] [ 10 N , 30N 25 מרגע t=2sואילך האדם מפעיל על גוף Bכוח שכיוונו כלפי מטה וגודלו משתנה לפי ) F 10 tהכוח בניוטון והזמן בשניות(. ב .מהו גודל תאוצת הגופים מרגע ?t=2sמהי המתיחות בחוט )כתלות בזמן( בפרק זמן זה ? ] [ a t / 5, T 3t / 5 30 ג .מהי מהירות הגופים כתלות בזמן )כל עוד הבעיה אפשרית ,כלומר החוטים לא מסתבכים בגלגלת(? ] [ t 2 / 10 0.4 מקרה ב' :כוח התלוי במהירות .כאשר הכוח השקול תלוי במהירות הגוף ,התאוצה תהיה אף היא תלויה במהירות )החוק השני( .אי אפשר לקבל את המהירות על ידי אינטרציה של התאוצה לפי הזמן )כי לא יודעים את התלות הישירה של התאוצה בזמן( .במקרה זה משתמשים בשיטה לפתרון הנקראת "הפרדת משתנים". F ( v ) ma dv dt F (v ) m dv ) F (v ) dt mלא משנה באיזה צד של המשוואה נרשום את .(mהפרדנו את כל מה שתלוי ב) v-בעצם הכל( ,ממה שתלוי בזמן .ועכשיו ניתן לבצע אינטגרציה על שני אגפי המשוואה: dv ) v(t t v0 t0 ) dt m F (v ממשוואה זו אפשר לחלץ את מהירת הגוף .לאחר שיש בידינו את המהירות כתלות בזמן ,ניתן לקבל את מיקום הגוף כתלות בזמן )על ידי אינטגרציה( ואת תאוצתו כתלות בזמן )על ידי גזירה או ,לחילופין, שימוש בחוק השני של ניוטון עם הצבת המהירות שמצאנו(. תרגילים לדוגמה )(3.5 צנחן שמסתו mצונח ממנוחה ממסוק המרחף באוויר )כלומר מהירותו ההתחלתית (0ומגובה .Hעל הצנחן פועל כוח ריסון הגדל לינארית עם מהירותו , f bv vˆ :כאשר bהינו מקדם ריסון קבוע. bt mg m e 1 א .מהי מהירות הצנחן כתלות בזמן? ) b כלפי מטה( btm mg b t m ב .באיזה גובה מעל הקרקע נמצא הצנחן )כתלות בזמן(? e 1 2 b ג .מהי תאוצת הצנחן כתלות בזמן? ] bt m geכלפי מטה[ 26 H ד .מי יגיע קודם לקרקע ,צנחן קל או צנחן כבד? הניחו שמקדם הריסון bזהה עבור שני הצנחנים .נמק/י את תשובתך] .כבד[ )(3.6 זריקת גוף עם חיכוך הפרופורציוני למהירות :גוף נזרק באוויר בזווית αיחסית לאופק ובמהירות התחלתית .v0בנוסף לכוח הכובד פועל על הגוף כוח ההתנגדות של האוויר )כוח גרר( הנתון על ידי הקשר . f bvכאשר bהוא קבוע חיובי. א .חשב/י את ) x(tו.y(t)- b b t t mV0 cos m mg mg 2 m m t 1 e , y (t ) Vo sin 1 e b b b b x (t ) ב .מצא/י את משוואת המסלול ).y(t x mg x m2 g b y ( x ) V0 sin ln 1 2 b V0 cos b mV0 cos ג .הראה/י כי בגבול בו כוח החיכוך ניתן להזנחה ביחס לכוח הכובד מתקבלת משוואת המסלול g x2 2 2 v0 cos 2 . y x tg z2 הדרכה :השתמש בקירוב 2 bx הקטן m v0 cos )(3.7 ) ln(1 z ) z טור מקלורן עד הסדר השני( כאשר הפרמטר z ניתן להזנחה ביחס ל .1 סירה שמסתה 100ק"ג החלה את תנועתה במהירות 3מ\ש ומואטת על ידי כוח חיכוך )הוא הכוח השקול( הנתון בנוסחה) F 2 e 0.4v vˆ :יחידות המדידה = v .(mks :מהירות הגוף. א .כמה זמן יעבור עד לעצירת הסירה? ] 87.35שניות[ ב .מהי מהירות הגוף בחצי מהזמן הנ"ל? ][1.075m/s מקרה ג' :כוח שתלוי במיקום )כמו למשל כוח קפיץ( .נרחיב על מקרה זה כאשר נדבר על עבודה ואנרגיה וכן בפרק על תנועה הרמונית. 27 תרגילים נוספים )(3.8 גוף בעל מסה של 0.2kgנזרק באופן אופקי במהירות 10 m / sמנקודה הנמצאת בגובה 60mמעל הקרקע .בזמן תנועתו רוח מפעילה על הגוף כוח המשתנה עם זמן לפי המשוואה f 1.2tiˆ 0.4 ˆj )הזמן נמדד בשניות והכוח בניוטונים(. א .מהו ווקטור המיקום של הגוף? ] [ 0.5t 4 10t iˆ 60 6t 2 ˆj 4 ב .מהי משוואת המסלול של הגוף ? ] [ x y 0.5 60 y 10 60 y 6 6 ג .מתי הגוף יפגע בקרקע ובאיזה מרחק מהמצב ההתחלתי ? ] [ 87.17 m , 10 sec )(3.9 כוח חיכוך :כוח אופקי שגודלו ) F=2tכאשר הזמן tנתון בשניות והכוח Fבניוטונים( פועל על גוף שמסתו 2kgהנמצא במנוחה על משטח אופקי .מקדמי החיכוך בין הגוף למשטח , k 0.15 . s 0.2מצא/י את א. זמן תחילת התנועה 2] .שניות[ ב. כוח החיכוך בזמן 1] .t=0.5 secניוטון[ ג. תאוצת הגוף כפונקציה של זמן] .עד 2שניות אפס ,מזמן 2שניותa t 1.5 [m / s 2 ] : [ ד. מהירות הגוף לאחר 4שניות 3] .מ/ש[ ה. מיקום הגוף לאחר 4שניות 7.3] .מ'[ ) (3.10צוללת שמסתה 30טון שטה בכיוון אופקי במהירות 10מ\ש .ברגע מסוים הצוללת מכבה את מנועה. מרגע זה פועל על הצוללת כוח עצירה הנתון בביטוי ˆ . F = -(b v 2 ) vזהו הכוח היחידי הפועל על הצוללת )הניחו כי בכיוון האנכי אין תנועה( .נתון כי 5דקות לאחר כיבוי המנוע מהירות הצוללת קטנה פי .4 1 א .מהי מהירות הצוללת כפונקציה של הזמן? ] 0.1 0.001 t [ v (t ) ב .חשב/י את הקבוע [ 30 kg / m ] b .b ג. מהו המרחק שעברה הצוללת בחמש הדקות מרגע כיבוי המנוע? ] 1386.2מ'[ 28 ) (3.11כדור שמסתו 10ק"ג נזרק אנכית כלפי מעלה מהקרקע במהירות התחלתית .100 m/sבמהלך העלייה ,בנוסף לכוח כבידה ,משפיע על הגוף כוח התנגדות האוויר) F = -(b v 2 ) vˆ :המהירות נמדדת ב m/s-והכוח בניוטונים(. dx 1 x arctan , tan x dx ln cos x , g 10m / s 2 2 a a a 2 x א .מהו הכוח השקול שפעל על הכדור מיד אחרי הזריקה? ] 2100ניוטון כלפי מטה[ 5 ב .כמה זמן נמשכת עליית הכדור? ] arctan(100 / 500) 3.02sec 5 [ ג .מהי מהירות הגוף כתלות בזמן? v (t ) 500 tan arctan(100 / 500 ) 5 t / 5 22.36 *tan 1.35 0.447 t ד .מהו הגובה המקסימלי אליו מגיע הכדור? ] 76מ'[ ה .מהי תאוצתו בנקודה זו? ] gכלפי מטה[ ו .אם על הכדור לא ישפיע כוח התנגדות האוויר ,עד לאיזה גובה מקסימלי הוא יגיע? ] 500מ'[ ) (3.12גוף שמסתו 1ק"ג נזרק מהקרקע במהירות תחילית של 50מטר לשנייה ,בזווית של 30מעל האופק .נתון כי שקול הכוחות על הגוף במהלך שהותו באוויר הוא. F t 3t ˆi 10 ˆj : א .מהי משוואת התנועה של הגוף )הכוונה היא לווקטור המיקום(? t3 ] ][ r 43.3t iˆ 5 t 2 25t ˆj [m 2 ב .מתי הגוף יפגע חזרה בקרקע? ] 5שניות[ ג .באיזה מרחק ביחס לנקודת המוצא שלו יפגע הגוף בקרקע? ] 279מ'[ ) (3.13גוף בעל מסה של 5ק"ג מונח על פני רצפה חסרת חיכוך בראשית הצירים .הרצפה היא המישור .z=0ברגע מסוים מפעילים על הגוף שני כוחות אופקיים F1 3i cos(2t ) j :ו- ) F2 2t 2i 2 sin 2 (t ) jהכוחות נמדדים בניוטונים והזמן בשניות( .כל הסעיפים הבאים מתייחסים לזמן של 2שניות לאחר הפעלת הכוחות .זהויות טריגונומטריות עשויות לעזור. א .מהי תאוצת הגוף )גודל וכיוון(? ][2.2 m/s2 ב .מהי מהירות הגוף )גודל וכיוון(? ] 2.3מ/ש[ ג .מהו מרחק הגוף מראשית הצירים? ] 1.78מ'[ 29 ד .מהי הזווית בין שני הכוחות? ] 24מעלות[ ) (3.14גוף שמסתו mנמצא במנוחה על מישור אופקי .ברגע t = 0מתחיל לפעול על הגוף כוח אופקי ) b) F=2bsin(tהינו קבוע = t ,זמן בשניות ,הארגומנט של ה sin -ברדיאנים(. מקדם החיכוך הסטטי והקינטי בין הגוף והמישור הוא ).μ=b/(mg א .באיזה רגע הגוף מתחיל את תנועתו? ] [ / 6 sec ב .מה תהיה מהירות הגוף tשניות לאחר רגע t=0ןעד שייעצר? b ] -2cos(t) -t 3 / 6 m [ v (t ) ג .מהו מיקום הגוף )ביחס לנקודת מוצאו( שניות לאחר תחילת תנועתו? ] [ 2.1 b/m ) (3.15כוח Fמושך גלגלת חסרת מסה .על הגלגלת תלויות )חוט חסר מסה וללא חיכוך( שתי מסות כמוראה בציור .לפני תחילת פעולת הכוח המסות מונחות על הרצפהm1=1kg, . 20 t 2 ) F הכוח בניוטון והזמן בשניות ,תחילת .m2=4kgהכוח משתנה לפי 9 התרגיל .(t=0 א .באיזה זמן הגוף הקל מתחיל לזוז? נסמן זמן זה ב 3] .t1-שניות[ F m2 ב .מהם הכוחות הנורמאליים הפועלים על כל גוף כתלות בזמן ,עד ל? t1 - ] )[ 10(1-t 2 / 9), 10(4 t 2 / 9 ג .באיזה זמן מתחילים שני הגופים לזוז? נסמן זמן זה ב 6] .t2-שניות[ ד .מהי תאוצת הגופים כתלות בזמן? ]מרגע שהתחילו לנוע: ] [ 10(t 2 / 9 1), (5t 2 / 18 10) [m / s 2 ה .מהי מהירות m1ברגע 200] ? t1+t2מ/ש ,בהנחה שהחוטים ממש ארוכים[... ) (3.16גוף שמסתו , m 1 kgנמצא על קו ישר .ברגע , t 0מתחיל לפעול על הגוף כוח ) F 10 sin t הכוח בניוטון ,זמן בשניות ,הארגומנט של ה sin -ברדיאנים( בכיוון הקו הישר. מקדם החיכוך ) הסטטי והקינטי( בין הגוף והקו הוא . μ 0.5 א .מתי מתחיל הגוף לנוע? ] /6שניות[ ב .הראו כי הגוף עוצר לאחר 3.8168שניות )בקירוב( מרגע הפעלת הכוח. 30 m1 ) (3.17בלוק בעל מסה mמונח על מישור משופע החופשי לנוע על משטח אופקי חסר חיכוך .מסת המישור המשופע היא Mוזווית השיפוע . א .איזה תאוצה aצריכה להיות ל M-יחסית לרצפה על מנת שהבלוק יישאר במנוחה יחסית למישור. הניחו כי אין חיכוך בין הבלוק ומישור. ב .איזה כוח Fצריך להפעיל על המערכת כדי לקבל תאוצה כזו? ג* .הנח שהכוח Fאינו מופעל על המערכת ושאין חיכוך בין הגופים .תאר את התנועה. m M ) (3.18מטוס אשר טס במהירות אופקית קבועה v0 = 100 m/sמטיל פצצה .הפצצה מגיעה לקרקע כעבור 8שניות .במהלך הנפילה משפיע על הפצצה כוח התנגדות האוויר . F 10Vמסת הפצצה היא ) .80 kgפתור בנפרד את משוואות התנועה עבור שני צירים xו(y- א .מצא את הגובה שממנו שוחררה הפצצה 70.4] .מ'[ ב .מצא את המרחק האופקי אשר עוברת הפצצה במהלך הנפילה יחסית למקום שחרורה 80] .מ'[ ג .מצא את מהירות הפצצה )גודל וכיוון( בעת פגיעתה בקרקע 8] .מ/ש בזווית 89.967מעלות[ ) (3.19גוף Aשמסתו 4 kgנמצא במנוחה על מישור אופקי חלק. F הגוף קשור לקצה חוט העובר דרך גלגלת חסרת חיכוך למשקולת Bבת 3 kgשתלויה בקצה השני של החוט .מרגע t=0מופעל על גוף Aכוח אופקי Fהמשתנה כתלות בזמן לפי ) F t 20 tבמערכת יחידות .(SI B א .חשבו את תאוצת המערכת כפונקציה של הזמן (30-20t)/7] .ביחידות ,SIכיוון חיובי -ימין[ ב .מהו המרחק המקסימאלי ימינה שאליו יגיע גוף Aיחסית למיקומו ההתחלתי? ] 45/7מ'[ ג .כמה זמן יחסית לזמן תחילת פעולת הכוח עובר עד שגוף Aחוזר למיקומו ההתחלתי? ][4.5sec 31 ) (3.20גוף שמסתו mהקשור בחחוט אופקי שאוורכו , Lמסתוובב סביב נקודדה קבועה על ממשטח אופקי בבעל ם( .מהירותו הההתחלתית שלל הגוף ) v0ב .(t=00-הביעו מקדם חיכוך קינטי ) kכממוראה בתרשים תשובותיכם ע"י. g , v0 , k , L , m : של הזמן[ v0 k gt ] . א .מצאו את גודדל מהירות הגווף כפונקציה ש ב .מצאו את הממתיחות בחוט ככפונקציה של ההזמן] . k gt L 2 0 [ m v 2 ל הזמןg ]. [ g 2 v0 k gt הגוף כפונקציה של ג .מצאו את גודדל תאוצת ף k 2 L ד .נתונים . v0 15 m s , k 00.15 , L 0..5 m , m 2 kg :כממה סיבובים יעבבור הגוף עד לעצירה?] 1.59סיבובים[ ) (3.21נתונה המערככת שבשרטוט ,,המסות הן . m2 5 kkg , m1 3 kgעלל מסה m2פועעל כוח אופקי )כמשורטט( התלוי בזמן . F 0.25t 2בבין שתי המסותת קיים כוח חיכוך בעל מקדממי החיכוך הבאאים: . s 0.3 , k 0.2הממשטח עליו מוונחת מסה m2חסר חיכוך. א .מתי מתחילהה מסה m1לנועע?] [ 6 sec ב .מהי המתיחותת בחוט המחברר את מסה m2לקיר ,כפונקציה של הזמן? ] 0 t 6 sec t 6 sec 2 [ T 0.25t 6 ג .מהו מיקום ממסה m1כפונקקציה של הזמן?? ] 0 t 6 0 t 6 3t 2 18t 27 0 [ xt 1 0.25t 4 5 12 שארת על m1בלי ליפול. הניחו כיי המסה m2נש 32 ) (3.22שני גופים 3ק"ג= m1ו2 -ק"ג= m2נמצאים על משטח .מקדם החיכוך בין הגופים ) μ=0.2מקדם החיכוך הסטטי שווה לקינטי( .בין הגוף m1למשטח אין חיכוך .ב t=0-מתחיל לפעול על גוף m1כוח אופקי Fהגדל לינארית עם tלפי) F=2t :הזמן בשניות והכוח מתקבל בניוטון(. F א .מהי התאוצה המכסימלית שבה הגופים עדיין ינועו יחד? ] [ 0.2 g 2 m / s 2 ב .באיזה זמן מתקבלת תאוצה זו? ] 5שניות[ ג .מהי מהירות הגופים בזמן זה? ] [ 12.5 m / s 2t 4 ד .מהן תאוצות הגופים לאחר הזמן שמצאת בסעיף ג'? ] , 0.2 g 2 m / s 2 3 ה .מהי מהירות גוף m1ביחס לגוף m2בזמן ? t=10sec 33 [ m2 m1 μ פרק ד' :עבודה ואנרגיה אנרגיה קשה להגיד מה היא אנרגיה ,אבל קל לתאר בעיות רבות בעזרת המושג. ניתן לומר כי אנרגיה היא גודל הנשמר במערכת סגורה ,כלומר בתהליך הקורה במערכת סגורה האנרגיה הכוללת נשמרת .זהו "חוק שימור האנרגיה" .ברקטה הנעה בחלל ,למשל ,האנרגיה הכימית האצורה בחומר הדלק הופכת לאנרגיה של תנועה ,ולאנרגיית חום .בקורס נתמקד באנרגיה קינטית ובאנרגיה פוטנציאלית של כוח משמר )יוסבר להלן(. לפני כן נגדיר עבודה של כוח .נדבר על חוק שימור האנרגיה המכנית והקשר שלו למשפט עבודה-אנרגיה קינטית. עבודה עבודה של כוח קבוע :עבודה של כוח שווה למכפלת הכוח בהעתק .מדובר רק על רכיב הכוח המשפיע ישירות על תנועת הגוף .אם הכוח עוזר לגוף להתקדם לאורך מסלולו נקבל כי עבודת הכוח חיובית ,ולהיפך – אם הכוח מפריע לגוף להתקדם לאורך מסלולו העבודה של הכוח היא שלילית .זה נכון גם כאשר הכוח איננו קבוע. בקורס מבוא לומדים את הנוסחה , W F x cos כאשר Fהוא גודל הכוח x ,הוא ההעתק של הגוף )כאשר הוא נע לאורך ציר ,(xו -היא הזווית בין הכוח לבין כיוון ההתקדמות של הגוף. ניתן לרשום את הנוסחה לחישוב עבודה של כוח קבוע ברישום קומפקטי יותר ,שגם נותן לנו דרך נוספת לחישוב: , W F r כאשר Fהוא הכוח r ,הוא ווקטור ההעתק .והעבודה היא המכפלה הסקלרית בין שני הוקטורים הללו. מעצם הגדרתה העבודה היא גודל סקלרי -חסר כיוון )אבל יכול להיות חיובי או שלילי( ,שאינו תלוי בבחירת מערכת הצירים. באופן מפורש: W F r F r cos Fx x Fy y Fz z )זוכרים את שתי אופני החישוב למכפלה סקלרית?( 34 ) F (t חישוב עבודה של כוח כללי לאורך מסלול כללי: 2 dr 2 )W F dr (1 1 1 העבודה תמיד מחושבת בין שתי נקודות בהן נמצא הגוף )באיור ,נקודות 1ו dr .(2-הוא אלמנט אורך דיפרנציאלי המכוון לאורך מסלול התנועה של הגוף בין שתי הנקודות .העבודה מחושבת עבור מסלול ספציפי ויכולה להשתנות ממסלול אחד לאחר )אפילו אם נקודות הקצה נשארות זהות( .למשל ,כאשר גוררים גוף בין שתי נקודות )גוררים מקרר מהמטבח לסלון( אז כוח החיכוך עושה עבודה )שלילית במקרה זה ,כיוון שהוא מפריע לתנועה( .אם נעביר את הגוף במסלול ארוך יותר כוח החיכוך יפריע יותר ונקבל עבודה שונה. קיימים כוחות מיוחדים שעבורם העבודה הנעשית בין שתי נקודות ,אינה תלויה במסלול הספציפי שהוביל את הגוף בין שתי הנקודות .כוחות אלו נקראים כוחות משמרים ,וביניהם כוח הכובד ,כוח אלסטי )קפיץ אידיאלי( והכוח החשמלי )האלקטרו-סטטי(. במקרה של כוח קבוע נוסחה ) (1תיתן . W F r עבודה כוללת ואנרגיה קינטית מהחוק השני של ניוטון מתקבל קשר בין , Wtotalהעבודה הכוללת הנעשית על גוף ,לבין השינוי באנרגיה הקינטית של הגוף: (2) Wtotal Ek mv 2 . Ek כאשר 2 תרגילים )(4.1 תרגיל מבוא :גוף בעל מסה mנמצא על משטח אופקי .על הגוף פועל כוח Fבזווית αביחס למישור. מקדם החיכוך הקינטי בין הגוף והמשטח הוא . א .מהי עבודת כל הכוחות בבעיה זו כאשר הגוף מתקדם מרחק , F cos D ] ?D [0,0 , ( mg F sin ) D ב .מצא ,משיקולי עבודה ואנרגיה ,את מהירות הגוף .ידוע שהגוף התחיל את תנועתו ממהירות 1 נתונה . v0כמו כן נתונים[ ට38 v0 ] . F mg / 2, 0.2, D v0 2 / g : 5 35 )(4.2 תנועה מעגלית :גוף בעל מסה mקשור לתקרה בחוט חסר מסה בעל אורך .Lמפעילים על הגוף כוח 0 אופקי קבוע שגודלו Fוהוא מגיע לנקודה Aבה החוט יוצר זווית של 60עם האנך. א .מהי עבודת הכוח האופקי מהמצב ההתחלתי ועד שהגיע הגוף לנקודה [ 3 FL / 2 ] ?A ב .מהי העבודה שעושה כוח הכובד לאורך אותו המסלול? ][-mgL/2 ( 3 F mg ) L ג .מהי מהירות הגוף בנקודה ? Aהגוף התחיל ממנוחה! ] m ,שימו לב שע"מ שהגוף אכן יגיע לנקודה הרלוונטית חייב להתקיים [ F mg / 3 )(4.3 מסתו של קליע של רובה היא .5grהקליע נע בתוך קנה הרובה מנקודה x=0ועד לנקודה x=1m )=אורך הקנה( .במשך תנועתו בקנה פועל על הקליע כוח שקול הנתון בנוסחה .F(x) = 3 - 2 x2 א .מהי העבודה של הכוח השקול הפועל על הקליע בתנועתו ברובה? ] 2ושליש ג'אול[ ב .מהי מהירות הקליע ביציאתו מהקנה? ] 30.55מ\ש[ )(4.4 כדור קטן שמסתו m=0.5kgנע בתוך מסילה חסרת חיכוך בצורת ר' הפוכה מנקודה ,Aדרך ,B לנקודה ) Cראה/י איור( .המסילה נתונה בשדה הכובד F mg ˆjביחד עם שדה כוח הנתון בנוסחה .(MKS) F 2 x iˆ 6 xy ˆj ]y [m א .חשב את עבודת הכוח הנתון בתנועת הגוף מ A-ל[WF=24J] .C- C ב .חשב את עבודת כוח הכובד בתנועת הגוף B y=2 מ A-ל[Wmg= -5 J] .C- ג .מהי מהירות הגוף בנקודות Bו?C- ] 76 m / s , 4 m / s [ A ד .חשב את עבודת הכוח הנתון בתנועת גוף מנקודה Aלנקודה Cבמסלול ישיר )קו ישר המחבר את הנקודות( 39] .ג'אול, משמע – הכוח לא משמר )ראה/י להלן([ 36 ]x [m x=4 x=1 y=1 כוח משמר כאשר מחשבים עבודה בין שתי נקודות ,התוצאה עשויה להיות תלויה במסלול הספציפי שלאורכו הגוף התקדם בין הנקודות .כוחות שהעבודה שהם עושים בין שתי נקודות כלשהן אינה תלויה במסלול נקראים כוחות משמרים. הגדרות שקולות לכוח משמר א. כוח משמר הוא כוח העבודה שהוא עושה בין שתי נקודות כלשהן איננה תלויה במסלול הספציפי של הגוף )אלא רק בנקודות הקצה – ההתחלה והסוף(. ב .כוח משמר הוא כוח שהעבודה שהוא עושה לאורך כל מסלול סגור היא אפס. ˆk ג .אם כוח משמר אזי מתקיים , F 0כאשר z Fy )(4.5 ˆj ˆi y Fy . F rotF x Fx גוף נע לאורך היקפו של ריבוע בעל אורך צלע 2מ' ואשר מרכזו בראשית הצירים מן הקודקוד הימני העליון )הנקודה ) ,((1,1נגד כיוון השעון ,ובחזרה לאותה נקודה .בזמן תנועתו פועל על הגוף כוח הנתון ע"י) F x, y x ˆi y ˆj :ביחידות .(SI א .מהי העבודה המתבצעת ע"י הכוח בזמן תנועת הגוף לאורך היקף הריבוע? ]אפס[ ב .האם הכוח משמר? נמק/י] .זה שבסעיף א' יצא אפס לא בהכרח אומר שהכוח משמר .כוח משמר הוא כזה שהעבודה שהוא עושה לאורך כל מסלול סגור היא אפס .כדי לבדוק אם כוח משמר ניתן לחשב את . rotFאם זה יוצא אפס ,אזי הכוח משמר .זה המקרה כאן[ ג .חזור על סעיפים א' ו-ב' עבור הכוח ) F x, y xy 2ˆi yx ˆjאותו מסלול( ]העבודה יוצאת אפס ,אבל הכוח אינו משמר כי rotFשונה מאפס ,משמע שיש מסלול/ים סגור/ים שהעבודה הנעשית לאורכו/ם איננה אפס![ כוח משמר ואנרגיה פוטנציאלית אם העבודה של כוח איננה תלויה במסלול אז ניתן לרשום (3) W12 U נוסחה זו למעשה מגדירה את האנרגיה הפוטנציאלית הקשורה לכוח המשמר הנידון. 37 מנוסחה זו ניתן לקבל נוסחה לאנרגיה הפוטנציאלית על ידי בחירת נקודת ייחוס לאנרגיה הפוטנציאלית ,היא נקודה בה האנרגיה הפוטנציאלית שווה לאפס )והיא נקודה הניתנת לבחירה!( r F dr U (r ) )(4 refference point דוגמאות א .כוח הכובד .נקודת הייחוס נבחרת ב) y=0 -ציר yמכוון כלפי מעלה( ועל סמך נוסחה ):(4 y ( mg ) dy mgy y Fy dy y 0 y F dr y 0 U ( y) refference point ב .כוח אלסטי .נקודת הייחוס נבחרת בנקודת הרפיון של הקפיץ ,x=0 kx 2 2 y ( kx ) dy x Fx dy y 0 x F dr x 0 U ( x) refference point ג .כוח קולון .נקודת הייחוס נבחרת באינסוף )כאשר המטענים רחוקים זה מזה ולא מרגישים זה את זה(. kq1q2 r r r r r kq q kq q r Fr dr r ( r12 2 ) dr r1 2 r F dr U (r) refference point שימו לב :התוצאות הסופיות אמורות להיות מוכרות מקורסי המבוא. חוק שימור האנרגיה כאשר משלבים את נוסחאות ) (2ו) (3מקבלים כי כאשר הכוח היחיד הפועל על הגוף הוא כוח משמר אז האנרגיה הכוללת )פוטנציאלית וקינטית ביחד( נשמרת Wtotal Ek : force U Wconservative ומכאן , Ek U 0כלומר .(5) Ek U 0 במקרה שיש כוחות נוספים לכוחות המשמרים שעבורם חישבנו אנרגיה פוטנציאלית ,נוסיף את השפעת הכוחות האחרים דרך חישוב עבודתם : Wother .(6) Ek U Wother ניתן לרשום את הנוסחה הזו גם בצורה E2 E1 Wother 38 ')(6 כאשר E Ek Uהיא האנרגיה הכוללת )קינטית+פוטנציאלית( של הגוף ,ומחושבת בהתחלה ) ( E1 ובסוף ) .( E2 )(4.6 גוף שמסתו m=10 kgמתחיל לנוע במעלה מישור משופע ששיפועו 0 )30כלומר π/6רדיאנים( ,מהנקודה x = 0שבה מהירות הגוף 10מ'\ש' .על הגוף פועל כוח שגודלו קבוע , F 100 3 Nאך זווית נטייתו יחסית למישור המשופע משתנה בהתאם לנוסחה ) α = π x / 12הזווית כאן נתונה ברדיאנים(. החיכוך בין הגוף והמישור המשופע -זניח. א .באיזה xיתנתק הגוף מהמישור? ] 2מ'[ ב .מהי העבודה שנעשתה על ידי הכוח Fעד לנקודת ההתנתקות? ] 330.8ג'[ ג .מהי מהירות הגוף ברגע ההתנתקות? ] 12.09מ\ש[ חישוב עבודה של כוח התלוי בזמן ,הספק t2 W F dr F v dt 2 )( 7 1 t1 ההספק ממוצע בפרק זמן נתון ,tמוגדר כעבודה הנעשית בזמן זה ) ,(wליחידת זמן .כלומר .w/tהספק רגעי מוגדר כקצב עשיית עבודה ,כלומר, )(8 dW dt .P ממשואה ) (7רואים שהספק של כוח מכני ניתן לחישוב על ידי )P F v (9 )(4.7 כוח אופקי של ) F=2tכאשר הזמן tנתון בשניות והכוח Fבניוטונים( פועל על גוף שמסתו 2kg הנמצא במנוחה על משטח אופקי .מקדמי החיכוך בין הגוף למשטח . s 0.2 , k 0.15 א .מצא את הזמן שבו הגוף מתחיל לנוע? ] 2שניות[ ב .מצא את תאוצת הגוף כפונקציה של זמן[a = t-3/2 or 0] . ג. חשב את עבודת הכוח החיצוני במשך 5השניות הראשונות[56.25J] . ד .חשב את ההספק הממוצע* של הכוח החיצוני במשך 5השניות הראשונות[11.25W] . ה .מצא את ההספק הרגעי כתלות בזמן. ו. מהי עבודת כוח החיכוך במשך 5השניות הנ"ל )חיכוך קינטי וסטטי( ][-20.25J 39 α גרדיאנטט הקשר הההפוך למשוואאה ):(4 kˆ U ˆ U ˆ U i j F U ( r ) z y x )(5 שקל יציב/רופף/אדיש שיווי מש נהוג להבדיל בין 3מצצבים של שיוויי משקל :יציב ,,רופף ואדיש .כאשר גוף נמצא בהשפעת ככוח משמר ,בככל ddU שקל )בבעיה חדד ממדית( מתקקיים 0 ם של שיווי מש המקרים dx )וכמובן הכוח שווה לאפס((. נקודת שיווי המשקלל. ת שקל יציב – כאשר בהסטה קקטנה משיווי ההמשקל מופעל כוח שמכוון חחזרה אל שיווי מש למשל גולה הנמצאת בבקערה .מדוברר בנקודת מיניממום של האנרגגיה הפוטנציאללית. שקל רופף -כאשר בהסטה קקטנה משיווי ממשקל מופעל ככוח שמרחיק אאת הגוף מנקודדת שיווי המשקקל. שיווי מש למשל גולה בקערה הפפוכה .מדובר בבנקודת מקסיממום של האנרגיה הפוטנציאללית. ש .למשל גולהה על שקל אדיש – ככאשר הסטה קקטנה משיווי ממשקל משאירהה את הגוף בשייווי משקל חדש שיווי מש מישור אאופקי נייח .בממקרה זה האנררגיה הפוטנציאלית קבועה. ם נוספים תרגילים )(4.8 גוף קטן שמססתו mמונח עעל ריצפה חסרת חיכוך ,וקשור לקפיץ בעלל קבוע קפיץ ) kכמוראה בציור(. במצב ההתחלתי הגוף נמצא במנוחה בנקקודת שיווי הממשקל .x = 0מפעילים על הגוף כוח המש שתנה לפי החוק: ˆ A , F 5 k ( A 2 x ))iהינו קבוע חיובי. מצא/י את: א .המרחק המקסימלי xmaxאלליו מגיע הגוף[ 10 A / 11 ]. מהירות הגוף ב [ A 50k / ((22m) ] .xmaax/2 - ת ב .גודל x על הגוף מהמצב ההתחלתי ועדד שהגוף הגיע ל[ 50kA2 / 1221 ] . xmax- ג .העבודה שעוושה הקפיץ ל )(4.9 שתנה לפי שמסתו 1ק"ג ,הנע על מישורר אופקי xyמש אחד מהכוחות הפועלים עלל גוף נקודתי ש ) F e y iˆ 6 x sin( x 2 ) ˆjהמרחק במטרים והכוח בניוטון(. א .מהי עבודת ההכוח כאשר הגגוף נע לאורך קקו ישר מנקודהה ) (0,0לנקודדה ) ? (1,1האאם הכוח משמרר? 40 ב .וקטור המיקום של הגוף הינו ) r t iˆ t cos( t ) ˆjהמרחק במטרים והזמן בשניות( .מהו הכוח השקול הפועל על הגוף? F 2t cos( t ) 2 sin( t ) ˆj in Newtons ג .מהי האנרגיה הקינטית של הגוף בנקודה )[1J] ?(2,-2 ) (4.10גוף שמסתו m1 2 kgמונח במצב שיווי משקל )נקודה (Aעל מישור משופע חסר חיכוך ששיפועו . הגוף מחובר על ידי חוט אידיאלי העובר על גלגלת וקשור בקצהו האחר אל גוף שמסתו . m 2 3kgהגוף m 2מחובר בצידו השני לקפיץ בעל קבוע קפיץ . k 150 N/mמנקודת שיווי המשקל מופעל על הגוף m1כוח שגודלו 30N m1 A וכיוונו מקביל למישור המשופע כלפי מטה .הגוף יורד F m2 ועובר בנקודה Bהנמצאת במרחק של 0.3mמנקודה .A B k א .מהי מהירות הגוף בנקודה 0.948] ?Bמ\ש[ α ב .מהי תאוצת הגוף בנקודה [ 3 m s ] ?B ) (4.11מטוס מואץ לאורך מסלול ההמראה ע"י כוח Fשגודלו משתנה כפונקצית מיקום המטוס ביחס לתחילת המסלול בהתאם למשוואה F kx 2וכיוונו יוצר זווית αעם האופק .מסת המטוס היא . m mg א .איזה מרחק עבר המטוס עד לניתוק מפני הקרקע? ksinα 3 2kcosα 4 mg ב .מה תהיה מהירותו בעת ההמראה? 3m ksinα ג .חזרו על הסעיפים א' ו-ב' בהנחה כי במהלך התנועה המטוס מושפע גם ע"י כוח ההתנגדות mg , μNכאשר Nהוא הכוח הנורמלי. ksinα , x 3 2 k cosα μsinα mg mg μmg m 3 ksinα ksinα 41 v ) (4.12אחד הכוחות הפועלים על גוף נקודתי שמסתו 1ק"ג ,אשר נע במישור אופקי ,משתנה לפי: . Fy 2 et , Fx t 3 6tמשוואת התנועה של הגוף היא. x t , y et : א .מהי עבודת הכוח במשך 5השניות הראשונות? ] 21794ג'[ ב .מהו שקול הכוחות הפועלים על הגוף? ] [ e t ˆj ג .מהי האנרגיה הקינטית של הגוף כאשר הוא נמצא במרחק e2 1 מראשית הצירים? ] 4.19ג'[ )הדרכה לסעיף ג' :כדאי להשתמש בנוסחה של מרחק הגוף מהראשית בזמן . r t x 2 t y 2 t :tולחפש ע"י ניחוש את הזמן שבו המרחק מהראשית הוא המרחק הנתון( ) (4.13סירת מנוע שמסתה 800 kgשטה במים שקטים במהירות 15 m / sבהשפעת כוח מנועה F1וכוח התנגדות המים , F2אשר תלוי במהירות הסירה לפי) F2 200V :הכוחות נמדדים בניוטונים, המהירות ב-מ'\ש'( .מנוע הסירה מסוגל לפתח הספק מכסימלי של . 80 kW א .מהו כוח המנוע F1ואיזה הספק הוא מפתח ,כאשר הסירה שטה במהירות קבועה של ? 15 m / s ] 3000ניוטון[45KW , ב .לאיזו מהירות מכסימלית יכולה הסירה להגיע ,ואיזה כוח F1צריך לשם זה? ]4000 ,20m/s ניוטון[ ברגע מסוים ) (t 0נהג הסירה פתאום מגדיל את הספק מנועה עד 80 kW ג .איך תשתנה עם הזמן tמהירות הסירה? ] [ SI units 2 100 43.75 e t /2 ד .איך ישתנה עם הזמן tמיקום הסירה יחסית לנקודה בה הייתה ברגע ? t 0 ] [ SI units 17.8364 8 100. 43.75 e 0.5t 80 ArcTanh[0.1 100. 43.75 e 0.5t ה .מה תהיה מהירות הסירה כעבר , 10 secואיזה מרחק היא תעבור בזמן זה? ] 190.7 , 19.97 m / sמ'[ ו .תוך כמה זמן מהירות הסירה תגיע ל , 19.97 m / s -ואיזה מרחק היא תעבור בזמן זה? ]ראה סעיף ה'[ 42 N ) (4.14בלוק בעל מססה m 0.5 kgנופל על קקפיץ ֲאנָכִי בעלל קבוע )שימו לב ליחידות( cm . k 2.5 מסה( ,וההתכווצותת ( נדבק לקפיץ )הממשטח המחובבר לקפיץ ,וההקפיץ עצמו ,חסרי ק הבלוק המקסימלית של הקפיץ היאא .12cmהזנחח חיכוך. א .מהי העבבודה שנעשית ע"י כוח הכובבד והקפיץ במההלך ההתכווצות?] [ 0.6 J , 1.8 J ש לפני פגיעתוו בקפיץ? ] [ 2.19m ב .מה הייתתה מהירות הבללוק בדיוק ממש ) (4.15נתון חלקיקק בעל מסה . m 2.80kgהחלקיק נע לאורך ציר .xממיקומו נתון ע"י: x) x 3t 4t 2 t 3במטטרים ו t-בשנייות( .תחילת התנועה.t=0 : א .מהי מהיירותו ההתחלתתית של הגוף? ][3m/s ב .מהי עבוודת הכוח השקקול הפועל על החלקיק ב 4-ההשניות הראשונות? ] 492.8ג'[ 4 ג .מהו הספפק הכוח השקוול בזמן [1168W] ? t 3.0s הצירים מן הנקודה 1,0נגד כיווון ם ) (4.16גוף נע לאורךך מעגל שמסלולו שרדיוסו 1מ' ומרכזו ברראשית השעון ובחזררה לאותה נקודדה .בזמן תנועתו פועל על הגגוף כוח הנתון ע"י. F x, y x ˆi y ˆj : מהי העבודה המתבצעת ע""י הכוח בזמן תתנועת הגוף לאאורך המעגל? 1 3xP 3 , v ) (4.17הראה שהמההירות vשאלליה מגיעה מככונית הנוסעת בהספק קבועע Pנתונה ע"י : m הוא מרחק הנסיעהה ממנוחה. כאשר xא משקלה wנזרקת באוויר כלפי מעלה במהירוות התחלתית . v0על האבן פועל כוח החחיכוך ל ) (4.18אבן ש קבוע עם האוויר שגודלו .f v0 2 שהגובה המקסיימאלי שאליו ממגיעה האבן הווא: א .הראה ש f 2 g 1 w 1 .h w f 2 . v v0 ב .הראה ש שמהירות האבן בזמן פגיעתה ברצפה היא : w f 43 ) (4.19אחד הכוחות הפועלים על גוף נקודתי שמסתו 1ק"ג ,משתנה לפי .Fy = sin(t) , Fx et :הגוף נע על מישור ,xyמיקומו הינו) .y(t)=cos(t) , x(t) 5t :המיקום נמדד במטרים ,הזמן בשניות(. תחילת התנועה .t=0 א .מהו שקול הכוחות הפועל על הגוף? ב .מהי האנרגיה הקינטית של הגוף כעבור 4שניות? ג .מהי עבודת הכוח הנתון במשך 4השניות הראשונות? ד .מהי עבודת שקול הכוחות במשך 4השניות הראשונות? ) (4.20חשב את העבודה שמבצע הכוח ˆ F 3xy ˆi 5z ˆj 10x kכאשר הוא מניע גוף שמסתו m לאורך המסילה , x = t2 + 1; y = 2t2 ; z = t3 :מהנקודה ) A(1,0,0לנקודה )[] .B(2,2,1 ) (4.21חשב את העבודה שמבצע הכוח F xz ˆi 3x ˆj 2 y kˆ :כאשר הוא מניע גוף שמסתו m לאורך המסלול , x = t3; y = 2t2 + 1; z = t2 :מנקודה ) A(0,1,0לנקודה ). B(1,3,1 44 פרק ה' :מתקף ותנע ,כולל מסה משתנה מתקף של כוח ,בין זמנים t1 ו: t 2 - t2 . J F t dt )(1 t1 תנע קווי של גוף נקודתי: )(2 p mv משפט מתקף -תנע קווי )צורה אינטגרלית לחוק השני של ניוטון(: )J total P (4 כאשר = J total J F Jשקול המומנטים הפועלים על הגוף, p p final pinitialהוא השינוי בתנע של הגוף. תרגילים )(5.1 גוף שמסתו 1.6ק"ג נע על מישור אופקי .ברגע t 0הוא עובר דרך ראשית צירים במהירות (m/s) v 0 2 ˆiומתחיל לפעול עליו כוח המשתנה עם הזמן לפי .(SI) F 5t ˆi :הכוח פועל על הגוף במשך 8שניות .מקדם החיכוך הקינטי בין הגוף והמישור הוא ,0.2ותאוצת הכובד ] . g 10 ˆj [m / s 2 א .מהו המתקף שמפעיל הכוח במשך 8השניות של פעולת הכוח? ]160 ˆi [Ns ב .מהו המתקף שמפעיל כוח החיכוך במשך 8השניות של פעולת הכוח? ]25.6 ˆi [Ns ג .מהו המתקף הכולל הפועל על הגוף? ]134.4 ˆi [Ns ד .מהי מהירות הגוף לאחר 8השניות? השתמש/י במשפט מתקף-תנע86 ˆi [m/s] . ) (5.2כדור בייסבול שמסתו 150גרם נע לעבר חובט .מהירות הכדור לפני המכה היא v 0 5iˆ - ˆj ) .(m/sהמתקף שפעל על הכדור מצד המחבט הוא .(Ns) J 3.6 ˆi 4.2 ˆj א .בהנחה כי המתקף שהמחבט הפעיל על הכדור הוא המתקף היחיד ,מה תהיה מהירות הכדור vלאחר המכה? ) ]( v 19 ˆi + 27 ˆj [m/s 45 x ב .מה המתקף שהפעיל הכדור על המחבט במשך החבטה? ) ( J 3.6 ˆi 4.2 ˆj ג .ידוע כי זמן החבטה הוא 0.01שניה .מהו המתקף שפעל על הכדור במשך זמן החבטה על ידי כוח הכובד? האם ההנחה של סעיף א' מוצדקת? ) , J mg 0.015 ˆjמוצדקת למדי( y ) (5.3גוף שמסתו 1ק"ג עובר את הנקודה 0,7 במהירות . v 0 3iˆ 15 ˆjברגע זה מתחיל לפעול על הגוף כוח ) F 12t ˆi 60t ˆjהוא הכוח היחיד הפועל על הגוף(. א .מהו מתקף הכוח על הגוף במשך 2שניות פעולתו? ) ]( J F 24 ˆi 120 ˆj [Ns ב .מהי מהירות הגוף 2שניות מרגע הפעלת הכוח? פתרו בשתי דרכים( v 27 ˆi 135 ˆj [m/s] ) . ג .מהי עבודת הכוח בשתי שניות פעולתו ? ) ( 9360 J ד .מהו מסלול התנועה של הגוף? ) ( y x 5 x 7 חוק שימור התנע הקווי מתוך ) (4והחוק השלישי של ניוטון מקבלים עבור מערכת של גופים שמתקיים )J F P (5 ext כאשר = Fextשקול הכוחות החיצוניים הפועלים על המערכת )כל הכוחות ,ללא הכוחות פועלים בין גופים במערכת( P p ,הוא התנע הכולל של הגופים המרכיבים את המערכת. אם שקול הכוחות החיצוניים על מערכת של גופים שווה לאפס ,אזי התנע הכולל של המערכת נשמר. )Fext 0 P 0 (6 התנגשויות כאשר שני גופים )או יותר( מתנגשים ,הכוחות המשמעותיים )ובבעיות מסוימות ,הכוחות היחידים( הפועלים על הגופים הם כוחות פנימיים – שגוף אחד מפעיל על האחר והאחר מחזיר )בהתאמה לחוק השלישי של ניוטון( .השפעת הכוחות החיצוניים ,אם קיימים ,זניחה לגמרי במשך זמן ההתנגשות הקצר .מכאן שבבעיה של התנגשות התנע של המערכת יישמר. 46 התנגשות אלסטית ,אי-אלסטית ופלססטית :בהתנגש שות אלסטית ))לחלוטין( בנוססף לחוק שימור התנע מתקייים שות המערכת .התננגשות בין אטומים היא דוגמהה להתנגשות אאלסטית .התנגש הקינטית של ה מור האנרגיה ה גם שימ שים אינה נשמרת )ובעצם האאנרגיה עוברתת שבה האנרגיה ההקינטית של ההגופים המתנגש אי-אלסטטית היא כזו ש ם הם בד"כ מתתחממים )אנרגיה תרמית( ומשמיעים קול לצורת אאנרגיה אחרת(( .כאשר שני גגופים מתנגשים שסכום האנרגייות הקינטיות ש )אנרגיתת קול( ומכאן ש שלהם קטן כתתוצאה מההתנגשות. מקרה ממיוחד של התנגגשות אי-אלסטטית הוא מקרה של התנגשות פלסטית ,התננגשות שלאחרריה הגופים נשארים צמודים זה לזזה )"נדבקים"(( .התנגשות פללסטית נקראת גם התנגשות אי-אלסטית לחחלוטין. ם ם תרגילים xקלליע שמסתו m 0.01kggנע במהירות 300מ\ש ונתתקע בגוף . M 44kgהגוףף Mקשור לקקפיץ )(5.4 שקבועו 100ניוטון\מטר ונמצא במצב ההתחחלתי במנוחה בנקודת הרפייון של הקפיץ .Oמקדם החחיכוך בין הגוף Mוהשוולחן .μk=0.3מהו הכיווץ ההמכסימלי של הקפיץ? ] 0.0073מ'[ v0 O M כדוור Mשמסתו 1kgנע במהיירות v1 = 30m/sבכיוון ) α1 = 2550ראהה איור( .קליעע m 0.01kgנע )(5.5 במההירות v2 = 7000m/sבכייוון .α2=400הקליע פוגע בכדור ויוצאא ממנו ,בלי ללשנות את הככיוון, במההירות .v2' = 300m/s א. מהם גודל וכיוון מהירותת הכדור לאחר ההתנגשות? ] 28.5 ,32.30מ\ש[ ב. מהו איבודד האנרגיה הקינטית בהתנגשוות? ] 2044ג'אאול[ ג. מהו המתקקף שהפעיל הקקליע על הכדורר? ] [ (-3.06, 2.557) N sec v1 m 250 v2 m )(5.6 v'2 400 ק"ג הנמצאת במננוחה מתפוצצתת לשלושה חלקקים הנעים כוללם על מישורר מסהה 10=Mג x : xyהמסה 2=m1ק"ג נעה בממהירות 4מ\ש= v1בכיוון צייר ,xמסה 3קק"ג= m2הנעהה v2 שיש למצוא אתת של 300יחסיתת לציר xומססה שלישית ש במההירות 3 = v2מ\ש בזווית ש y מהיירותה )גודל וככיוון( 3.29 ,1995.90] .מ\ש[ 47 v1 )(5.7 על קרונית שמסתה 10ק"ג ואורכה 12מטר מונח במרכז גוף .מרכז המסה של כל המערכת נמצא במרכז הקרונית .כל כוחות החיכוך זניחים .ברגע מסוים מתפוצץ הגוף לשני גופים בעלי מסות של 1ק"ג ו 4 ק"ג .לאחר שתי שניות הגוף המהיר יותר מתנגש בדופן הקרונית התנגשות אלסטית לחלוטין. א .מצא את המהירות של כל גוף ואת מהירות הקרונית מיד לאחר ההתפוצצות[0 ,-0.75m/s ,3m/s] . ב .מה תהיה מהירות הקרונית מיד לאחר ההתנגשות האלסטית ? ] 60/11מ/ש[ ג .לאחר כמה זמן מתנגש הגוף השני בקרונית? ] 0.725שניות מרגע ההתנגשות[ )(5.8 קוביה קטנה שמסתה mמונחת על עגלה שמסתה Mהיכולה לנוע ללא חיכוך על משטח אופקי )ראה/י שרטוט( .מעניקים לקוביה מהירות . v 0נתונים. M , m ,v0 : א. M vo 2 מהו הגובה המינימלי hשל העגלה שימנע את מעבר הקוביה לצידה השני? ] 2 g m M ב. אם גובה העגלה גדול מ hשחושב בסעיף א' ,מהן מהירויות העגלה והקוביה כאשר הקוביה חוזרת [ 2mv0 ( m M )v0 לתחתית העגלה? בדוק את תשובתך עבור מקרה הגבול ] . m<<M , mM mM [ H v0 )(5.9 גוף שמסתו m1נע על משטח אופקי חסר חיכוך במהירות שגודלה 6מ' לשנייה .הגוף פוגע בגוף שני שמסתו m 2והנמצא במנוחה .נתונים . m 2 4kg , m1 2kg :ההתנגשות מתווכת ע"י קפיץ בעל קבוע קפיץ ) k 100 N / mכלומר בין הגופים יש קפיץ(. א .מהו הכיווץ המקסימלי של הקפיץ? ] 0.693מ'[ ב .מהי מהירות הגופים ברגע זה? ] 2מ\ש[ ג .מהי מהירות הגופים לאחר שנפרדו )והקפיץ שוב רפוי(? ] [ 2m / s, 4m / s 48 מרכז מסה מרכז מסה של מערכת גופים הוא הממוצע המשוקלל של מיקומי הגופים המרכיבים את המערכת m1r1 m2 r2 . rcm )(7 m1 m2 מהירות מרכז המסה מתקבלת ע"י גזירת משוואה ):(7 m1v1 m2 v2 . vcm )(8 m1 m2 ניתן לראות שבבעיה בה התנע נשמר )למשל בהתנגשות( ,מהירות מרכז המסה אינה משתנה. תאוצת מרכז המסה מתקבלת מגזירת משוואה ):(8 m a m2 a2 )(9 1 1 m1 m2 . acm ) (5.10איש בעל מסה Mעומד על סירה שמסתה mואורכה .Lהאיש עומד בקצה השמאלי ומתחיל לנוע לקצה הימני .הזניחו את חיכוך הסירה והמים ואת הגלים )בקיצור –אין כוחות חיצוניים(. א .ברגע שמהירות האיש vלימין ,מהי מהירות הסירה? ב .בכמה זזה הסירה כאשר האיש נעמד בקצה הימני של הסירה? ) (5.11מצא/י את מרכז המסה של הגופים הבאים: א .חצי כדור מלא ואחיד ,בעל רדיוס Rוצפיפות מסה נפחית . ] 3R / 8מעל אמצע הבסיס[ R ב .דיסקה בעלת רדיוס 2Rובה חור מעגלי בעל רדיוס . R מרכז החור נמצא במרחק Rממרכז הדיסקה .צפיפות המסה 2R המשטחית של הדיסקה המחוררת אחידה. ] R / 3מעל מרכז הדיסקה הגדולה[ R 49 ) (5.12בול שמסתו m2מונח על רצפה אופקית חלקה ועליו בול שני שמסתו . m1בין הבולים קיים חיכוך .מקדם הקינטי הוא . kמעניקים לבול העליון מהירות התחלתית .V0בהנחה שהגוף התחתון ארוך מספיק ,החל מרגע מסוים ואילך הגוף העליון ייעצר ביחס לתחתון ,ובמילים אחרות :הגופים נעים ביחד .נסמן את הזמן מתחילת התנועה ועד לרגע בו הגופים נעים יחד ב.T- m1 v0 א .מהי המהירות המשותפת של שני הגופים? ] m1 m2 [ ב .נסו למצוא משיקולי מתקף ותנע – מהו ?Tשימו לב כי כוח החיכוך הקינטי הוא כוח קבוע .זה עוזר. m2 v0 ] k g m1 m2 [ ג .בכמה זז מרכז המסה מרגע ההתחלה ועד ל] ?T- m1 m2 v0 2 2 k g m1 m2 [ ד .איזו דרך Sיעבור הבול m1ביחס ל ,m2 -עד לזמן ?T v0 m1 ) (5.13קרון אטום מונח על משקל תקין .המשקל מראה "."100 א .מהי מסת הקרון? ) 100ק"ג( מה יראה המשקל בכל אחד מהמקרים הבאים: ב .בתוך הקרון יש חסידה שמסתה .m=10kgהחסידה עומדת על רצפת הקרון(110) . ג .לאחר כמה דקות החסידה מרחפת )נמצאת מעל אותה נקודה ביחס לרצפת הקרון(. )(110 ד .תוך כדי מעופה ,החסידה נרדמת ונופלת בתאוצה ) gכלפי מטה((100) . ה .קצת לפני שהחסידה נמחצה היא מתעוררת ,וכדי לא לפגוע ברצפת הקרון מאיצה בתאוצה 3gכלפי מעלה(140) . תרגילים נוספים ) (5.14גוף שמסתו mמאוזן על השפיץ של הצורה המתוארת באיור )מעין כובע קשיח סמטרי( .מסת הכובע ,M גובהו ,Hרוחב בסיסו ,2Lוהוא נמצא במנוחה .השוליים של הכובע אופקיים )ללא שיפוע( .בין הכובע לגוף ובינו לרצפה אין חיכוך .ברגע מסויים שיווי המשקל מופר והגוף mמחליק ממנוחה ימינה. 50 א .מהם חוקי השימור בבעיה? )חוק שימור האנרגיה וחוק שימור התנע בכיוון האופקי( ב .מהו ההעתק האופקי של הכובע כאשר הגוף mהגיעה לתחתיתו? ג .מהי מהירותם של הגוף ושל הכובע במצב זה? m H g M 2L ) (5.15גוף שמסתו mקשור לחוט שאורכו .Lהגוף משוחרר 60o ממנוחה כאשר החוט מתוח ויוצר זווית בת 60oעם האנך. L בנקודה התחתונה של המסלול הגוף מתנגש אלסטית לחלוטין m עם גוף בעל מסה כפולה ,המונח על שולחן חסר חיכוך .עקב ההתנגשות ,הגוף השני ניתז ממקומו במהירות . V0 א .מהי מהירות הגוף mרגע לפני ההתנגשות? ] [ gL V0 2m ב .מה מהירויות הגופים מיד לאחר ההתנגשות? 2 gL gL ] , 3 3 F [ Fmax מדדו את גודלו של הכוח שהפעיל הגוף הראשון על השני בזמן ההתנגשות כפונקציה של הזמן .צורתה של עקומת הכוח היא משולש שווה שוקיים )ראה גרף( .רוחב הבסיס הוא .T ג .קבע ,על פי עקומת הכוח ,את הגודל המקסימאלי של t T הכוח שפעל בין הגופים בזמן ההתנגשות. הדרכה :השתמשו בקשר בין מתקף והשינוי בתנע ,ובכך שהמתקף שפעל על הגוף בכיוון התנועה t0 T )ימין( הוא F dt t0 8m gL ,כמשמעותו הגרפית ---השטח מתחת לגרף] . 3T 51 [ g ) (5.16חלקיק שמסתו 10גרם נע במהירות ˆ) v1 10iמהירות נמדדת במ'\ש'( .חלקיק שני ,בעל אותה מסה, נע במהירות ˆ . v 2 10iלאחר ההתנגשות מהירות החלקיק הראשון היא ˆ. u1 5i א. מהי מהירות החלקיק השני לאחר ההתנגשות? ב. האם ההתנגשות היא אלסטית לחלוטין? אם לא ,מהו איבוד האנרגיה במהלך ההתנגשות? ) (5.17אב ובנו עומדים יחדיו בקצה סירה שאורכה Lהעומדת במים שקטים .הם מתחילים לנוע האחד לעבר השני .הבן מגיע לאמצע הסירה ונעצר בעוד האב ממשיך עד לקצה השני .נתון כי מסת הסירה היא M 2m1 m2 מסת האב m1ומסת הבן היא . m2מצא איזה מרחק נעה הסירהL ) . ) 2( m1 m2 M (x ) (5.18ילד שמסתו 20kgעומד על רפסודה שמסתה 12kgהצפה במנוחה באגם .הילד זורק אבן בכיוון מקביל לאגם במהירות ,8m/secכתוצאה מכך נעה הרפסודה והילד עליה .עוצמת כוח התנגדות של המים לרפסודה היא , F=0.6vכאשר vהיא מהירות הרפסודה .מה צריכה להיות המסה mשל האבן הנזרקת על מנת שמהירות הרפסודה )והילד עליה( לא תעלה על 1m/secלאחר .(m≤4.82kg) ? 10sec ) (5.19גוף בעל מסה של 5ק"ג נע על משטח "מחוספס" לאורך ציר xועובר בראשית הצירים )(x=0 כשמהירותו 2מ\ש )בכיוון החיובי( .במשך זמן קצר מאוד מופעל על הגוף כוח אופקי אשר מספק לו מתקף J 10 N secבכיוון ציר .xלאחר מכן הגוף נע בהשפעת כוח Fx xעד לעצירה .מקדם החיכוך הקינטי בין הגוף למישור הינו .0.2 א .מהי מהירות הגוף לאחר פעולת הכוח הקצר?] [ 4 m s ב .מצאו את המרחק שעבר הגוף עד לעצירה[ 3.416 m ] . ) (5.20ילד שמסתו 30ק"ג נמצא בתוך עגלה אשר נוסעת בקו ישר במהירות קבועה של 10מ'\ש' .מסת העגלה גדולה פי 2ממסת הילד .לפני העגלה הנ"ל נוסעת עוד עגלה ריקה ,באותה מהירות ובאותו כיוון .בשלב מסוים קופץ הילד מעגלה הראשונה לשנייה במהירות 5מ'\ש' ביחס לעגלה בה הוא נמצא. א .מהי מהירות העגלה הראשונה לאחר שהילד עזב אותה? ב .מהי מהירות העגלה השנייה לאחר שהילד נחת בה? ג .מהו השינוי באנרגיה הקינטית של המערכת )שתי עגלות+ילד( לפני ואחרי קפיצת הילד? מה גרם לשינוי הזה? 52 בעיות עם מסה משתנה כאשר מסה של גוף משתנה באפן רציף )למשל טיל הפולט גזים בקצב ידוע ,או קרונית המתמלאת בגשם( כניתן לעבוד עם החוק השני של ניוטון הישן והטוב רק שצריך להוסיף עוד כוח :הוא הכוח הפועל על הגוף כתוצאה משינוי מסתו )במקרה של הטיל הכוח הפועל על ידי גזי הפליטה ,במקרה של הקרונית – הכוח הפועל dm על הקרונית על ידי המים הנכנסים אליה( .כוח זה שווה ל- dt , vכאשר vמתאר את השינוי במהירות ה"טיפות" ביחס לגוף )המרכאות כאן מסמנות שזה לא חייב להיות טיפות – זה יכול להיות גם גזים הנפלטים מהטיל ,או חול הנשפך על מסוע(. dm dv אפשר לרשום את החוק השני מחדש m dt dt . Fregular v לא לשכוח שהמסה mשמופיעה בנוסחה זו היא ).m(t t m 0 m0 ניתן לקבל את המסה כתלות בזמן על ידי אינטגרציה. dm dt dm dt : לפעמים ניתן לעקוף סיבוכים אם משתמשים בחוקי שימור ,כמו חוק שימור התנע. להלן נוסחה המתאימה לבעיות עם מסה המשתנה באופן רציף בדומה לבעיה הנ"ל: dm vrel ma dt F regular כאשר vrelהיא מהירות חלקיקי המסה המשתנה )המים הנכנסים לקרונית ,או גזים הנפלטים מטיל( ביחס לגוף המתואר בבעיה )הקרונית ,הטיל וכדומה(. ) , m m(tהיא מסת הגוף .שימו לב שבנוסחה יש להציב את המסה עם התלות שלה בזמן. dm dt מתאר את קצב שינוי המסה .קצב זה הוא חיובי כאשר המסה של הגוף גדלה )כמו במקרה של קרונית המתמלאת במים( או שלילי )כמו במקרה של טיל הפולט גזים .במקרה כזה המסה קטנה עם הזמן ולכן קצת השינוי הוא שלילי. dm " vrelכוח הדחף" ,זהו הכוח הפועל על הגוף כתוצאה מפליטת/קליטת המסה )ושינוי התנע שלה(. dt 53 תרגילים ) (5.21אוטו שמסתו 1000ק"ג )כולל הנהג( נוסע על משטח חסר חיכוך במהירות קבועה 20מ'\שנ' .ברגע dm t 0מתחיל לרדת גשם אנכי והאוטו מתחיל להתמלא במים בקצב קבוע 0.5kg / sec dt 2 .דקות אחרי שהגשם התחיל לרדת נהג האוטו סוגר את הגג והגשם מפסיק להיכנס פנימה. א .מהי מסת הגשם שנכנסה לאוטו עד שנסגר הגג? ב .מהי מהירות האוטו כתלות בזמן? ג .איזה מרחק עבר האוטו במשך 2הדקות? ד .באיזה כוח צריך היה למשוך את המכונית על מנת לשמור את מהירותה קבועה? ) (5.22מכלית מים שמסתה הכוללת 2000kgומסתה ריקה 800kgעומדת במנוחה על משטח אופקי וחלק. משאבה מותקנת על המיכלית וברגע מסוים היא מתחילה לפלוט מים אחורה בכיוון אופקי במהירות 200m/secיחסית למיכלית ובקצב של .50 kg/sec א .חשב את גודל התאוצה של המיכלית כפונקציה של הזמן. ] ] [m / s 2 [ 10000 2000 50t ב .חשב את הגודל המקסימלי של התאוצה[ 12.5 m s2 ] . ג .חשב את הגודל המכסימלי של מהירות המיכלית[ 183.3 m s ] . ) (5.23טיל שמסתו ללא דלק 200ק"ג נושא 200ק"ג נוספים של דלק .ב t = 0 -הטיל משוגר אנכית ממנוחה מפני הקרקע ) .(y = 0קצב בעירת הדלק הינו 25ק"ג לשניה .מהירות הפליטה של הגזים ביחס לטיל היא 300מטר\שניה כלפי מטה. א .מהי מהירות הטיל כפונקציה של הזמן כאשר הדלק בוער? ב .מהי מהירותו בתום בעירת הדלק? ג .מהי התאוצה המקסימאלית של הטיל? 54 ) (5.24טיל מרחף באוויר בגובה מסוים קרוב לפני כדור הארץ )הוא לא יורד ולא עולה( .הדבר אפשרי ע"י פליטת גזים כלפי מטה .מהירות הגזים יחסית לטיל קבועה ,וגודלה .uהמסה הסופית של הטיל )כאשר הדלק נגמר( היא , M 0כאשר M 0היא מסתו ההתחלתית ,ברגע .( 1 ) t=0נתוניםM 0 ,u, g , : . א .מהי מסת הטיל כתלות בזמן? ] [ M 0e gt / u ב .כמה זמן נשאר הטיל במצב הריחוף? ] ) [ (u / g ) ln( ג .נתון u=600m/sוכן שהמסה הסופית של הטיל היא 5%ממסתו ההחלתית .כמה זמן נשאר הטיל במצב הריחוף? ] 178שניות[ dm ) (5.25חול נשפך ממשפך קבוע ,בקצב kt 2 dt על סרט נע שמהירותו ביחס למשפך היא . v v F א .איזה כוח Fצריך להפעיל על הסרט הנע כדי לשמור על מהירותו הקבועה ?v ב .מהי עבודה הנעשתה על-ידי הכוח Fבין t=0ו .t=T -מהו שינוי באנרגיה הקינטית של הסרט בזמן זה ? ) (5.26מתקן ניקיון מורכב ממיכל ובו 500ק"ג מים .מסת המתקן כאשר המיכל ריק היא 2,000ק"ג .המים נפלטים אחורה בקצב 300ק"ג לדקה ובמהירות 12מ'\שנ' יחסית למתקן ,והמתקן נע אך ורק בהשפעת כוח הדחף הנוצר מפליטת המים .אין חיכוך בין המתקן למשטח. א .מהי תאוצת המתקן בתחילת פליטת המים ,ומהי בתום פליטת המים? ב .איזה כוח )גודל וכיוון( יפעל על המתקן תוך כדי פליטת סילון המים? ג .מהי מהירות המתקן כפונקציה של הזמן ,אם מהירותו ההתחלתית ,ברגע הוא התחיל לפלוט מים10 , מ\שניה? ד .לאיזו מהירות יגיע המתקן בתום פליטת המים ,וכעבור כמה זמן זה יקרה? 55 ) (5.27רקטה פולטת בכל שניה שני אחוזים ממסתה ההתחלתית במהירות יחסית של .1.2 Km/secהרקטה מתחילה לנוע ממנוחה. א .מהי התאוצה ההתחלתית של הרקטה? ב. מהי מהירות הרקטה ומהי תאוצתה כעבור ?20 sec ג .מהי מהירות של גזי הפליטה יחסית לארץ כעבור 20 secההתחלה? ) (5.28קרונית בעלת מסה Mנוסעת על פסים אופקיים ישרים וחלקים .מהירותה בנקודה Aהיא .VA הקרונית עוברת בנקודה Bכעבור Tשניות .במשך כל זמן הנסיעה ירד גשם בקצב קבוע ומי-גשם שמסתם mנקוו בתוך קרונית .חשב את: א .מהירות הקרונית tשניות אחרי שעזבה את נקודה .(0<t<T) A ב .תאוצת הקרונית tשניות אחרי שעזבה את נקודה .A ג .המרחק בין הנקודות Aו.B- 56 פרק ו' :גוף קשיח גודל פיסיקלי תנועה קווית )מימד אחד( תנועה סיבובית )ציר קבוע( or x מיקום || מיקום זוויתי מהירות || מהירות זוויתית dx dt v d dt תאוצה || תאוצה זוויתית dv dt a d dt החוק השני סטטיקה F ma I F 0 0 m I m v2 2 I 2 2 מסה || מומנט התמד אנרגיה קינטית עבודה d P=mv חוק שני כללי dP dt מתקף || מתקף זוויתי חוק שימור התנע || חשת"ז x1 1 Fx dx תנע || תנע זוויתי )ת"ז( מתקף ותנע x2 2 L= I ω F t2 t2 t1 t1 dt F dt המתקף הכולל הפועל על גוף = המתקף הזוויתי הכולל = שינוי שינוי התנע הקווי של הגוף בת"ז אם סכום הכוחות החיצוניים על אם סכום המונטים החיצוניים על מערכת מתאפס אז התנע הקווי מערכת מתאפס אז התנע הזוויתי נשמר נשמר קבוע = m1v1 m2 v2 חישוב מומנט כוח r F sin : dL dt , קבוע = L1 L2 כוח כפול זרוע חישוב תנע זוויתיL r P sin r m v sin : , 57 תנע כפול זרוע = L למעשה ,,גם מומנט כוחח וגם תנע זווייתי הם גדלים ווקטוריים , L r P , r F .קייימים מקרים שחייבים ם לקחת בחשבבון את האופי ההווקטורי של גגדלים אלו ,לממשל ,בתיאור תתנועה של סביבבון .בקורס אננחנו הסיבוב – עם או נגד כיוון השעון. ב נסתפק בבהסתכלות עלל גודל הווקטורר ,ואת הכיוון ננגדיר בהתאם לכיוון מומנט ההתמד: מומנט התמד גוף )הציר עובר במרכזז המסה של הגוף( חישוב ממומט התמד כלללי , I mi ri 2 גליל מלא )דיססקה( MR 2 / 2 שוק ,טבעת( חלול דק )חיש M MR 2 כדור מלא (2 / 5)M MR 2 מוט ישר דק ML2 / 12 משפט שטיינר I I CM Md 2 ם תרגילים )(6.1 המערכת הבאאה מורכבת מגגלגלת )מלאה ואחידה( שרדדיוסה ,Rמסתה 4=Mק"ג,, שורות בחוט .ההחוט לא מחלייק על הגלגלתת ומ 2 -מסות m2=2kgg ,m1=1kgהקש ואין חיכוך בבציר הסיבוב .מהי מהירות m1ו m2 -לאחחר תזוזה של 2מ' ממנוחה?? מומנט התמדד של הגלגלת נתון בנוסחה [ 8 m / s ] . MR 2 / 2 כדאאי למצוא את התאוצה ) 2מ\ש (2וממנה ללחשב את המההירות ) ( v 2 v0 2 2 a y אבלל הכי פשוט – שיקולי אנרגייה. 58 m1 m2 )(6.2 כוח משיקי קבוע של 100ניוטון פועל על גלגלת אחידה בעלת רדיוס 0.2מ', כמתואר בציור .בעת סיבוב הגלגלת )סביב ציר הקבוע למקומו( פועל עליה כוח חיכוך כזה שגודל מומנט-הכוח שלו . 5 Nmהגלגלת מסתובבת בתאוצה זוויתית קבועה של 100רדיאן\שניה.2 F א .מהו מומנט ההתמד של הגלגלת? ] [ 0.15kg m 2 ב .מהי מסת הגלגלת? ] 3.75ק"ג[ )(6.3 מוט אחיד באורך Lובעל מסה Mתלוי אופקית כשהוא מחובר בצידו האחד לציר הקבוע בקיר ובצידו האחר קשור לחוט אנכי חסר מסה .נתון מומנט ההתמד של המוט ביחס לציר . ML2 / 3 : הזניחו חיכוך עם הציר. א .מהי המתיחות בחוט? מהו הכוח שהמוט מפעיל על הציר? ] [ mg / 2 ב .החוט נקרע .מהי תאוצתו הזוויתית של המוט ברגע הראשון )כלומר בזווית [ 3g / 2 L ] (θ = 0 ג .מהי תאוצת מרכז המסה ברגע הראשון? ] [ 3g / 4 ד .מהי תאוצת נקודת קצה המוט ברגע הראשון? ] [ 3g / 2 g ה .מהי המהירות הזוויתית המקסימלית של המוט )=900 [ 3 g / L ] ? (θ ו .מהו הכוח שהציר מפעיל על המוט כאשר המוט במצב אנכי ) ?(θ =900רמז :מרכז המסה מבצע תנועה מעגלית ברדיוס [5mg/2] .L/2 )(6.4 על ציר גלגלת שרדיוסה החיצוני r = 1 mומסתה 2ק"ג מופעל מומנט סיבובי ע"י מנוע חשמלי . 20 Nmסביב הגלגלת מלופף חוט בו תלויה משקולת שמסתה .1kgהמנוע מסובב את הגלגלת והמשקולת עולה .הגלגלת מתחילה להסתובב ממנוחה .ניתן להזניח את השפעת החיכוך בציר הגלגלת .הגלגלת – דסקה אחידה. א .מהי תאוצת המשקולת? ] 5מ\ש[2 59 θ ב .מהי המהירות הזוויתית של הגלגלת לאחר 2סיבובים שלמים? מהי האנרגיה הקינטית שלה? ] 31.4 , 11.2 rad / secג'אול[ ג .פתור את אותה שאלה כאשר עבור מומנט סיבובי של המנוע התלוי בזמן לפי . 20 0.5t 2 ] ] [ 7.685 rad / sec , 5 0.25t 2 [ SI )(6.5 משפט שטיינר א. נתון מוט בעל אורך Lומסה .Mנתון מומנט התמד של המוט יחסית לציר העובר במרכזו : . ML2 / 12חשב ,על סמך נתון זה ומשפט שטיינר ,את מומנט ההתמד של המוט סביב ציר העובר בקצהו[ ML2 / 3 ] . ב. מהו מומנט ההתמד של המוט עבור ציר העובר במרחק L/4מקצה L/4 המוט? סעיף ג' ג. חשב את מומנט ההתמד של גוף המורכב ממוט שאורכו Lומסתו ,Mשבקצהו מחוברת דיסקה שרדיוסה Rומסתה .Mנתון כי הציר נמצא במרחק L/4=Rמקצה המוט. )(6.6 חישוב מומנט אינרציה על ידי אינטגרציה: ג .חשב/י את מומנט ההתמד של דיסקה בעלת רדיוס Rומסה Mסביב ציר העובר במרכזה ומאונך למשטחה .הדרכה (1) :ניקח אלמנט מסה dmבצורת טבעת ברדיוס rועובי . drנחשב את אלמנט המסה . dmיש לבטא אותו בעזרת ,Mהמסה הכללית של הדיסקה (2) .נבטא את מומנט ההתמד dIשל טבעת זו ) (3נבצע אינטגרל על התוצאה שקיבלת בסעיף הקודם על מנת למצוא את סה"כ מומנט ההתמד של הדיסקה. ד .מוט באורך Lשצפיפותו ליחידת אורך λמשתנה לפי k ) λ x kx :הוא קבוע נתון( מסתובב סביב ציר המאונך לו ועובר דרך קצהו ,הנמצא ב . x 0חשב את מומנט ההתמד של kL4 הגוף סביב ציר זה) .תשובה: 4 (I 60 גלגול ללא החלקה מצב של גלגול ללא החלקה הוא מצב שבו נקודת המגע של הגוף עם המשטח לא מחליקה ביחס למשטח עליה היא נמצאת )מהירותה הרגעית היא אפס( .במקרה זה אפשר למצוא קשר בין התנועה הסיבובית של הגוף לבין תנועתו הקווית .אם הגוף נע על משטח ישר אז כאשר הוא מבצע סיבוב שלם ) 2πרד'( מרכז המסה יזוז מרחק של ,2πRכאשר Rהוא הרדיוס שסביבו מסתובב הגוף .מכאן ש- acm R vcm R xcm R קשר זה מתקיים גם כאשר הגוף נע ללא החלקה על משטח עקום )כמו מסילה מעגלית(. בפתרון בעיות של גלגול ללא החלקה נשתמש ב ) (1 ) (2 F ma I cm )acm R (3 כוח החיכוך הפועל על הגוף )בנקודת המגע( הוא כוח חיכוך סטטי .כוח זה לא מבצע עבודה על הגוף ולכן ניתן להשתמש בחוק שימור האנרגיה באופן המוכר. האנרגיה הקינטית של הגוף ניתנת לכתיבה כסכום של שני ביטויים :אחד המתאר את תנועת מרכז המסה של I cm 2 M v cm 2 הגוף ) ( והשני המתאר את תנועתו הסיבובית של הגוף סביב מרכז המסה ) 2 2 M v cm 2 I cm 2 )(4 2 2 ( ,כלומר Ek תרגילים )(6.7 חוט קשור למרכז גלגל ונמשך בכוח .Fהגלגל מבצע גלגול ללא החלקה .נתונים) M :מסת הגלגל(I , )מומנט ההתמד של הגלגל() R ,רדיוסו(.F , א .מהו כיוון כוח החיכוך הפועל על הגלגל? נמק] .שמאלה[ ב .מהי תאוצת מרכז המסה של הגלגל? ג .מהו גודל כוח החיכוך? 61 F )(6.8 גליל מלא מתתגלגל ללא החלקה במורד מדדרון ששיפועו .β א .מהי מהיררות הגליל לאחחר שירד גובה Hממצב של מנוחה[ 4gh ] . 3 שתי דרכים: יש לפתור בש Iעל ידדי חישוב תאוצצת מרכז המסהה ושימוש בנוססחאות קינמטיקה. IIעל ידדי שימוש בחוק שימור האנררגיה. שור מתחייב שמקדם החיכוך הסטטי בין שכדי שיתקיים גלגול ללא החחלקה על המיש ב .הראה ש 1 המישור לגליל גדול מtan - 3 )(6.9 . גלגל בעל מססה Mמורכב ממשני גלילים ,בעלי רדיוסים R1ו .R2-נתתון כי . 2 R1 R2 Rהגליילים מודבקים כך שמרכזם מתללכד .מלפפים חחוט מסביב לגללגל שרדיוסו ,R1ובזמן t = 0מתחילים למשוך ט בחוט ,בכוח הגדל ככתלות בזמן לפפי b) F = btהוא קבוע חיובבי ו t-הזמן( .ההגלגל מתגלגל למרכזו( הוא k ,I = k M R2הוא קבוע חסר ( החלקה .מומנט ההתמד של הגלגל )בביחס . ללא יחידות .נתונים.b ,k ,R ,M : א .מהי תאוצצת מרכז הגלגלל כפונקציה של הזמן?] 3bt ? m k 1 F R1 [ R2 ב .מהי המהיירות הזוויתית של הגלגל ? F=M כאשר Mg ] 3m g 2 2b k 1 [ תרגגילים נוספים ) (6.10גוף שמסתו m=3kggקשורר לחוט המלופףף על גלגלת )גגליל מלא ואחייד( .מסת הגלגגלת M=6kg ורדיוסו .R=0..2mהגוף mמתחיל לנוע ממנוחה. א .מהי תאוצת ההגוף [gg/2] ?m ב .מהי תאוצת ננקודה Aהנמצצאת במרחק 0.15מ' ממרכז הדיסקה? ג .מצא/י ,על סמך חוק שימורר האנרגיה ,אתת מהירות הגוףף mלאחר שההגליל מבצע ססיבוב שלם סבביב הציר. ] 3.51מ\ש[ 62 שחררים את הממוט ממנוחה בבמצב ) (6.11מוט אחיד באאורך Lומסה mמחובר לציר בקצהו .מש .(φ אופקי )φ=0 הזוויתית של המוט כתלות בזווית [3ggcosφ/2L] ?φ ת א .מהי התאאוצה ב .מהי תאווצת נקודה בקצצה מוט במצב ההתחלתי? ] .3g/22גדול מ[!g- ג .מהי מהיירותו הזוויתיתת כתלות ב[ω2=33g sinφ /L] ?φ- שמסתו M=00.8kgורדיוסו .R=0.14m ) (6.12גוף נקודתי m=0.2kgממודבק לגליל ש φ נמצאת בנקודה הגבווהה ביותר ) (φ=00במנוחה. ת המערכת מתתחילה כך שמססה m m φ שיקית ומהירותת שחררים .מהי התאוצה המש מסיטים את המסה mהסטטה מזערית ומש הגוף mבזווית 2.31] ?φ=π/4מ\ש 0.88 ,2מ\ש[ ) (6.13המערכת בצציור מרימה אאת המסה .m=1kkgהמעררכת מורכבת משתי דיסקות ,מסת כל אחת M=0.5kgורדדיוס כל דיסקקה ,R2=0.15mוכן .Mמנוע מפעילל על המערכת מומנט מגליל שרדיווסו R1=0.08mומסתו M/2 M M M/2 שגוף m הכוח שמפעיל המננוע על מנת ש ח להיות מומנט ת כוח קבוע .ממה צריך יעלה: m במהירות קבועה? ] 0.7884נ' מ'[ ת א. 0.9922] ?a=0.6mנ' מ'[ ב .בתאוצהה קבועה m/s2 ) (6.14כוח אנכי [mks] F=3tמושך חוט המגולגל על m גלגלת ,כמווראה באיור .הגלגלת מורכבת משני גלילים מלאיים .ב t=0-הגללגלת במנוחה. F אל חוט המגגולגל סביב הגגליל הקטן מחחובר ,על ידי חוט מתוח ,גוף שמסתו k . m 3kg נתוניםR1 0.1m, R2 0.2m, I 0 00.05kg m 2 , k 0.2, s 0.5 : ) I0הוא מומננט ההתמד סבביב מרכז הגלגלת R1 ,ו R2-רדיוסי הגליליים ,ומקדמי החחיכוך הם בין הגוף והשולחן(. שג כוח כזה? ] 7.55ניוטון 22.5 ,שניות[ שיזיז את ?mאחריי כמה זמן מוש ז א .מהו Fההמינימלי ב .מהי התאאוצה כתלות בבזמן מרגע שהחחלה התנועה? ] 3(t-1)/4ביחידות מ.ק.ש[ 63 ג .כמה סיבובים הגלגלת מבצעת עד 134.3] ?t=10secסיבובים .לא לשכוח שהתנועה מתחיל מזמן 2.5שניות[ ד .נקודה Aנמצאת על היקף הגליל הגדול .מהי מהירות הנקודה Aבזמן הנ"ל? ] 59.1מ\ש[ ) (6.15גלגל )גליל מלא( מתגלגל ממישור משופע בשיפוע 300ללא החלקה .רדיוסו Rומסתו .M א .מהי תאוצתו? )(g/3 ב .גליל ריק בעל אותו רדיוס ומסה מתגלגל ללא החלקה מאותו גובה )ומאותה מהירות התחלתית( .מי יגיע קודם? )מה מלא?(: ) (6.16משולש שווה צלעות בנוי מ 3-מוטות דקים אחידים .מסת כל מוט mואורכו .Lהמשולש תלוי מקודקודו על ציר )בעל חיכוך זניח(. א .מצא/י את מרחק מרכז המסה מהציר. F ב .חשב/י את מומנט ההתמד של המשולש סביב הציר. ג) .יש לפתור את הסעיף לאחר לימוד תנועה הרמונית פשוטה( מסיטים את המשולש בזווית קטנה ומשחררים ממנוחה .תוך כמה זמן מרגע השחרור הגוף יגיע למהירות זוויתית מקסימלית? )לסעיף זה יש להשתמש בקירוב של תנועה הרמונית( ד .מהי המהירות הזוויתית המקסימלית של הגוף? ) (6.17דיסקה תלויה לציר חסר חיכוך הנמצא בקצה הדיסקה .הזווית היא זווית הסטיה של הדיסקה ממצב שיווי המשקל .מסיטים את הדיסקה ב) 900 -משיווי משקל ,כלומר (0 = 900 ,ומשחררים ממנוחה. א .מהי תאוצתה הזוויתית של הדיסקה ברגע השחרור? לאיזו נקודה על הדיסקה יש ,ברגע השחרור ,את התאוצה שגודלה -הגדול ביותר? מהי תאוצה זו? ] 3g 2R [ a max 3g , α ב .מהי תאוצתה הזוויתית של הדיסקה כתלות ב[ α 3gsinβ ] ? - 2R ג .מהי המהירות הזוויתית של הדיסקה כתלות ב ?-באיזו זווית גודל המהירות מקסימלי? מהי המהירות הזוויתית המקסימלית של הדיסקה? ] 64 4gsinβ 3R [ω ) (6.18על גלגלת Aבעלת רדיוס R 0.3mומומנט התמד I 1 kg m 2מלופף חוט .בקצהו השני קשור החוט אל גוף Bשמסתו 0.5ק"ג .הגוף Bקשור לקפיץ בעל קבוע כוח של ) 50 N / mראה תרשים( .ציר הסיבוב של הגלגלת והמישור המשופע הם חסרי חיכוך והחוט אינו מחליק על הגלגלת .מסובבים את הגלגלת נגד כיוון השעון עד שהקפיץ מתארך בשיעור 0.2מ' יחסית למצבו הרפוי ,ואז משחררים את המערכת ממצב מנוחה. A א .מה תהיה המהירות הזוויתית של הגלגלת ,ברגע בו הקפיץ יחזור למצבו הרפוי? B ב .מהו סוג התנועה שיבצע הגוף Bמרגע שחרור המערכת עד למצב שבו הקפיץ במצב הרפוי )רמז :כתוב חוק שני של ניוטון עבור גוף . (B ) (6.19נתונה גלגלת המורכבת משתי דיסקות צמודות .דיסקה אחת רדיוסה 20ס"מ ומסתה 2ק"ג, והאחרת רדיוסה 10ס"מ ומסתה 1ק"ג .סביב לכל גלגלת מלופף ובקצהו תולים מסה .אל החוט המחובר לדיסקה הגדולה מחברים מסה של 2ק"ג. א .מהי המסה שיש לחבר אל החוט המחובר לדיסקה הקטנה כדי שהמערכת תהיה בשיווי משקל? ] 4ק"ג[ ב .מהי התאוצה של כל אחת מהמסות ,אם יחברו לחוט זה מסה כפולה מזו שמצאת בסעיף א'? ג .מהו הכוח שמפעיל ,בכל אחד מהמקרים ,ציר החיבור על הדיסקות? מתקף זוויתי ותנע זוויתי תנע זוויתי של גוף נקודתי L r p mr v תנע זוויתי של גוף קשיח המסתובב במהירות זוויתית סביב ציר קבוע L I מתקף זוויתי J dt 65 משפט מתקף זוויתי-תנע זוויתי :המתקף הזוויתי הכולל שווה לשינוי בתנע הזוויתי של הגוף חוק שימור התנע הזוויתי :כאשר המתקף הזוויתי של מערכת מתאפס )משמע שסכום המונטים החיצוניים על מערכת מתאפס( התנע הזוויתי הכולל של המערכת נשמר. ) (6.20ילד שמסתו 25kgיושב בקצה קרוסלה נייחת שרדיוסה . 1.5mמומנט ההתמד של הקרוסלה )ללא הילד( ,סביב ציר העובר במרכזה ,הוא . 120 kg m 2הילד תופס כדור v0 0 שמסתו 0.5kgהנזרק אליו מחברו .רגע לפני שהכדור 37 נתפס מהירותו היא 16 m / sבזווית של 37oלמשיק לקרוסלה )ראה/י ציור( .הניחו כי ממדי הילד והכדור זניחים )ילד נקודתי( וכי הציר אידיאלי. א .מהי המהירות הזוויתית של הקרוסלה לאחר תפיסת הכדור? ] [ 0.054 rad sec ב .מהי המהירות המשיקית של הילד לאחר תפיסת הכדור? ] [ 0.081 m sec ג .מהו המתקף הזוויתי הכולל שפעל על הילד? מי הפעיל אותו? ] [ 3.039 N m sec ד .מהו המתקף הזוויתי שהפעיל הכדור על הילד? ] [ 8.976 N m sec ) (6.21לכדור ביליארד בעל מסה mורדיוס Rהנמצא במנוחה מוענק מתקף קווי שגודלו Jעל ידי הפעלת כוח אופקי R בגובה hמעל שולחן הביליארד ,כמוראה בתרשים. h נתונים. m, J , h, R : א .מהי מהירות מרכז המסה של כדור הביליארד לאחר שהוענק המתקף הקווי? ] [ J m ב .מהי מהירותו הזוויתית של כדור הביליארד לאחר שהוענק לו המתקף הנתון? ] )[ 5J (h 2R 2mR ג .עבור איזה ערך של hיתחיל כדור הביליארד להתגלגל ללא החלקה? ] [ 7 R 5 66 ) (6.22מוט אחיד שמסתו 3 kgואורכו 0.5mתלוי בקצהו לציר קבוע g )חיכוך זניח( .קליע שמסתו 0.01kgנע אופקית במהירות v 0 100 m / secלעבר המוט .הקליע פוגע בקצה המוט x וניתז ממנו כלפי מטה במהירות שגודלה . v 0 / 2זמן ההתנגשות קצרצר. א. מהי המהירות הזוויתית של המוט מיד לאחר vo ההתנגשות? ] [ 2 rad sec ב. מהי הזווית המכסימלית אליה יגיע המוט? ] [ 21.039 ג. מהו ווקטור המתקף שהפעיל המוט על הקליע? ] [ ˆi 0.5jˆ Ns ) (6.23אדם שמסתו mנמצא במנוחה במרכז דיסקה שרדיוסה Rומסתה Mהמסתובבת במהירות זוויתית .ω0האדם מתחיל לנוע לכיוון קצה הדיסקה .יש להניח שהאדם נקודתי. א .מהי מהירות הזוויתית של הדיסקה כפונקציה של המרחק rשל האדם ממרכז הדיסקה? ] MR 2ω0 MR 2 2mr 2 [ω ב .מהי העבודה שהשקיע האדם בהתקדמותו ,כפונקציה של המרחק rממרכז הדיסקה? ] MR 2 MR 2 2mr 2 1 [ MR 2 ω02 4 ) (6.24חרק שמסתו mנמצא במנוחה בקצה תקליט שרדיוסו Rומסתו Mהמסתובב במהירות זוויתית . החרק מתחיל לנוע לכיוון מרכז התקליט. א .מהי המהירות הזוויתית של התקליט כפונקציה של המרחק rשל החרק ממרכז התקליט? ] MR 2 ω0 2 2 2 MR mr 2 2 [ mR ב .מהי העבודה שהשקיע החרק בהתקדמותו ,כפונקציה של המרחק שלו rממרכז התקליט? 67 y ) (6.25סחרחרה בצורת דיסקה שמסתה M 100Kgורדיוסה R 5mנמצאת במנוחה .סטודנט שמסתו m = 70 Kgרץ לאורך קו המשיק לסחרחרה בשפתה החיצונית וקופץ עליה במהירות ) . v 2 m / sהניחו שסטודנט הוא גוף נקודתי(: א .מהי המהירות הזוויתית של הסטודנט והסחרחרה לאחר נחיתת הסטודנט? ] [ 0.233 rad sec ב .מה תהיה מהירות הסחרחרה אם הסטודנט יעבור למרכזה? ] [ 0.56 rad sec 68 פרק ז' :תנועה הרמונית תנועה מחזורית תנועה מחזורית מאופיינת על ידי זמן מחזור .Tאם נסתכל על הגוף ברגע התחלתי כלשהו ,הרי שלאחר זמן T יחזור לנקודת ההתחלה וישחזר את תנועתו בדיוק .תנועת כדוה"א סביב השמש היא תנועה מחזורית עם זמן מחזור של שנה אחת .כרגע נמצא הכדור בנקודה מסוימת ביחס לשמש ,נע במהירות מסוימת מסביב לשמש. בעוד שנה יחזור לאותו המצב בדיוק )מיקום ומהירות( ויתחיל מחדש ,כל שנה משחזר בדיוק את תנועתו מהשנה שעברה. תנועה הרמונית פשוטה תנועה הרמונית היא תנועה מחזורית מיוחדת .מה שמיוחד בה -הגורם לתנועה הוא כוח מחזיר שגודלו פרופורציוני למרחק מנקודת שיווי המשקל )תחשבו על קפיץ כדוגמה( .במקרה כזה התנועה תתואר על ידי פונקציה הרמונית – למשל פונקצית סינוס .כך נראית פונקצית סינוס: sinq 1.0 0.5 q 4p 7p 2 3p 5p 2 3p 2 2p p p 2 -0.5 -1.0 וכך נראית פונקצית קוסינוס: cosq 1.0 0.5 q 4p 7p 2 3p 5p 2 2p 3p 2 p p 2 - 0.5 - 1.0 נכון שהן נראות אותו הדבר? מה בכל זאת ההבדל? הקוסינוס זז אחורה ב ./2-ככה שבזווית אפס הקוסינוס שווה לאחד והסינוס שווה לאפס )בדוק!(. 69 אם אנחנו מתעסקים בתנועה אז הציר האופקי הוא ציר הזמן והציר האנכי מיקום הגוף .זמן אפס מציין בדרך כלל את הרגע בו התחלנו למדוד את התנועה ,אותו רגע בו לחצנו על הסטופר .הקוסינוס והסינוס מציינים ,אם כן ,את אותה התנועה .רק שבמקרה של קוסינוס לחצנו על הסטופר כאשר הגוף הכי רחוק מנקודת שיווי המשקל ובמקרה של הסינוס לחצנו על הסטופר כאשר הגוף בדיוק חלף על פני נקודת שיווי המשקל .x=0 שימו לב שמתקיים sin( / 2) cos שזה אומר שאת שתי הפונקציות למעלה אפשר להציג בעזרת פונקצית סינוס אם מוסיפים לה את ה) /2-לא חייבים את הקוסינוס(. מה אם לחצנו על הסטופר בנקודה אחרת כלשהי ,למשל כאשר הגוף בדיוק עבר חצי מהדרך בין נקודת שיווי המשקל לבין הנקודה הרחוקה ביותר משיווי משקל? אז עדיין מדובר בגרף סינוס רק שהוא לא זז /2אלא פחות: p 6 sin q + 1.0 0.5 q 4p 7p 2 3p 5p 2 2p 3p 2 p p 2 - 0.5 - 1.0 בציור רואים את הגרף ) . sin( / 6בזווית אפס הערך של הסינוס הוא חצי ,בדיוק באמצע בין 0ו...1- קצת יותר פורמלי: תנועה הרמונית היא תנועה בה מתקיים קשר מיוחד בין תאוצת הגוף לבין ההעתק של הגוף )התזוזה מנקודת שיווי משקל ,שבה תאוצת הגוף היא אפס( .זה הקשר a 2 x הפתרון הכללי ביותר למשוואה זו של תנועה הרמונית הוא מצורה ) , x (t ) A sin( t כאשר Aמסמן את האמפליטודה של הגוף )המרחק הגדול ביותר של הגוף מנקודת שיווי המשקל( ,הוא קשורה לזמן המחזור של התנועה לפי T 2 / ו -נקראת זווית מופע )או זווית פאזה( התחלתית וקשורה לתנאי התחלה ,אותו הזמן בו לחצנו על הסטופר. למשל הנה הגרף )x (t ) 3 sin( t / 6 70 x t m 3 2 1 tsec 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 שימו לב שזמן המחזור הוא 2שניות ) (T=2/=2 secוהאמפליטודה Aהיא 3מ' .הזמן ההתחלתי הוא זה בו הגוף נמצא בדיוק באמצע בדרך בין x=0ו .x=3m-איך אפשר לדעת את זה? קודם כל רואים בגרף .חוץ מזה – אם נציב t=0בנוסחת המיקום.נקבל. x (0) 3 cos( / 6) 1.5 m : לא לשכוח לעבוד ברדיאנים! מהי מהירות הגוף? נגזור את הביטוי ) x (t ) A sin( t ונקבל ) v (t ) A cos( t למשל במקרה של הדוגמה ) . v (t ) 3 cos( t / 6מביטוי זה רואים מיד את מהירותו המקסימלית של הגוף , (3 ) m / sובאופן כללי . vmax Aניתן גם לדעת מהי מהירות הגוף ברגע ההתחלתי .נציב :t=0 ) v (t ) 3 cos( / 6) (3 3 / 2) m / s 8.16 m/sרדיאנים!(. כאשר אנחנו יודעים איפה הגוף נמצא ברגע מסוים )בד"כ (t=0ומהי אז מהירותו ,אז ניתן למצוא את וגם את האמפליטודה .A כדי להבין זאת נסתכל על מקרה בו הגוף מתחיל את תנועתו בחצי מהדרך בין נקודת שיווי המשקל למקסימום מרחק ,כלומר . x0 A / 2פתרון אחד אפשרי הוא זו שהוצג לעיל – אז הגוף נע ברגע ההתחלתי קדימה – למקום רחוק יותר מנקודת שיווי משקל .אבל יתכן גם מקרה ובו הגוף נמצא בזמן התחלתי באותה נקודה אבל נע "אחורה" לעבר נקודת שיווי המשקל .במקרה כזה הגרף יהיה 71 x t m 3 2 1 tsec 6 5 3 4 2 1 -1 -2 -3 זוהי הפונקציה ) , x (t ) 3 sin( t 5 / 6כמעט אותו ביטוי ,רק עם זווית מופע אחרת ,הקשורה לכך שתנאי ההתחלה השתנו )קודם הגוף התחיל לנוע קדימה ועכשיו הוא נע אחורה(. בפועל כאמור אנחנו יודעים את תנאי ההתחלה ומקבלים את זווית המופע )וגם את האמפליטודה(: ) x (t ) A sin( t ) x0 A sin( ) v (t ) A cos( t ) v0 A cos( שתי משוואות ,שני נעלמים ).( ,A תרגילים )(7.1 גוף שמסתו 0.9Mקשור לקפיץ בעל קבוע kומתנדנד בתה"פ שאמפליטודתה שווה ל.A0- נתונים1=M:ק"ג.A0=0.8m ,k=100N/m , א .מהו זמן המחזור של התנועה? )מהי (T=0.596sec) (? קליע שמסתו m=0.1Mנע אופקית לעבר המסה Mבמהירות u0=60m/sומתנגש בה התנגשות פלסטית )זמן ההתנגשות קצר( .ההתנגשות מתרחשת בדיוק כאשר המסה Mנעצרה רגעית במצב בו הקפיץ היה מתוח מקסימלית. ב .מהי מהירות הגופים מיד לאחר ההתנגשות? )(6m/s ג .מה תהיה האמפליטודה החדשה של התנועה? )(1m ד .רשום את ) ,x(tכאשר הזמן tנמדד מרגע ההתנגשות )כלומר t=0הוא זמן ההתנגשות(. ה .היכן הגוף יימצא לאחר 2שניות? )(x = -0.22m ו .מה תהיה אז מהירותו? )(v = 4.855m/s 72 )(7.2 גוף שמסתו 2ק"ג נתון להשפעת כוח F=-kxעם .k=100N/mמסיטים את הגוף ממצב שיווי משקל ל x=0.5m-ומשחררים ממנוחה. א .מהו מיקום הגוף ,מהירותו ותאוצתו כתלות בזמן? ב .מהי מהירות הגוף המכסימלית ובאיזה xהיא מושגת? ג .מהי התאוצה המכסימלית ובאיזה xהיא מושגת? ד .מתי יגיע הגוף בפעם הראשונה ל?x=-0.3m- ה .מהי יהיה גודל וכיוון המהירות של הגוף במצב המתואר בסעיף ד'? ו .מצאו את המהירות )סעיף ה'( משיקולי אנרגיה. )(7.3 מסה mמחוברת לקפיץ שקבועו kונמצאת על מישור חסר חיכוך .מזיזים את המסה מנקודת שיווי המשקל לעבר הקיר למרחק Aומשחררים ממנוחה. א .מהו זמן המחזור של התנועה? כתוב/כתבי את המיקום והמהירות כפונקציה של הזמן ).v(t) ,x(t m ב .לאחר שליש זמן מחזור ניתקת מצד ימין של mחתיכה שמסתה 3 כך שלקפיץ שנשארת מחוברת מסה 2 שגודלה . mידוע כי מהירות שני הגופים מיד אחרי ההתפרקות לא משתנה .מהי מהירות הגופים ברגע 3 ההתנתקות? 2 ג .כתבו ביטוי המתאר את )) x(tשל המסה ( mמרגע ההתנתקות 3 m k ואילך. )(7.4 גוף נע בתנועה הרמונית פשוטה .זמן המחזור של התנועה 4שניות .מצאו את )x(t), v(t), a(t והאמפליטודה במקרים הבאים: א. x (t 0) 2m , v (t 0) 0 . ב. x (t 1sec) 0 , v (t 1sec) m / s ג. 5 5 . x (t sec) 2 m , v (t sec) m/s 2 2 2 ד .הסבר/בירי את התוצאה שקבלת לגבי ) x(tבכל המקרים .איך זה יתכן? 73 )(7.5 שתי מסות mו 2m-ושני קפיצים kו 2k-מורכבים כמוראה בשרטוט .הקפיצים רפויים ומחוברים אל המסות אך המסות אינן מחוברות זו לזו .מזיזים את המסה השמאלית ) (2mמרחק Aשמאלה מהמצב שתואר )המסה הימנית נשארת במקומה( ,ומשחררים אותה ממנוחה .הזניחו חיכוך .נתון ,m=2kg : A=0.3m ,k=50N/m א. רשום/רשמי את משוואת התנועה )) a(t) ,v(t) ,x(tמיקום ,מהירות ותאוצה( לפני שהמסות מתנגשות. ב .בהגיעה חזרה לנקודת ההתחלה המסה 2mמתנגשת התנגשות פלסטית במסה .mמהי האמפליטודה לאחר ההתנגשות? מהו זמן המחזור? ג * .רשום/רשמי את משוואות התנועה ) a(t) ,v(t) ,x(tמבלי לשנות את פרמטר הזמן )כלומר השעון ממשיך לרוץ מההתחלה(. 2k k 2m )(7.6 נתונה המערכת המתוארת בשרטוט .מסת הכדור )כדור מלא( היא , mרדיוס הכדור , Rמסת המוט , mואורך המוט . L 2Rציר הסיבוב נמצא במרחק של R 2 ממרכז המוט .מסיטים את המערכת ,כך שהמוט נמצא בזווית התחלתית θ 0 יחסית לאנך .משחררים את המערכת ממנוחה. א .היכן נמצא מרכז המסה של המערכת ,יחסית לציר הסיבוב?] [ 5R 4 2 ב .מה מומנט ההתמד של המערכת יחסית לציר הסיבוב? ] [ 217mR 30 ג .מהו תדירות התנודות של המערכת ,בקירוב של תנודות קטנות? ] 74 75g 217R [ תנועה הרמונית מרוסנת משוואת התנועה :בבעיה ובה כוח הרמוני kxוכן כוח גרר הפרופורציוני למהירות הגוף bvנקבל מתוך החוק השני שלל ניוטון: . ma kx bv משימוש בהגדרת המהירות והתאוצה מתקבל d 2x dx b kx 0 2 dt dt .m זוהי משוואה דיפרנציאלית מסדר שני .אופי הפתרון למשוואה תלוי בקשר בין המקדמים השונים .מפרידים בין 3מקרים אפשריים: א . 4km b2 .במקרה זה הפתרון יהיה מחזורי-דועך ,כלומר התנועה היא תנועה הרמונית פשוטה עם אמפליטודה שקטנה אקספוננציאלית .תדירות התנודות שונה מתדירות כפי שהיא ללא הריסון .הפתרון נקרא .under-dumped ב . 4km b2 .במקרה זה הפתרון יהיה דועך )ללא תנודות( .הדעיכה אקספוננציאלית .פתרון זה נקרא .over-dumped ג . 4km b2 .גם במקרה זה הפתרון יהיה דועך )ללא תנודות( אבל הביטוי המתמטי המתאר את הדעיכה יהיה שונה מהביטוי במקרה ב' .מקדם שיכוך bבמקרה זה נקרא מקדם שיכוך קריטי ,כלומר . bcritical 2 k mפתרן זה נקרא .critically-dumped הפתרון המחזורי -דועך של משוואת התנועה x t A0 e t sin t כאשר k m 2 0 2 2 T b 2m , 0 זוהי תדירות התנודות ללא ריסון. , 2 f זוהי התדירות כפי שהיא בנוכחות הריסון. , אם אין ריסון הרי 0ואז אין דעיכה )חוזרים לבעיה של תה"פ( 75 2 x0 A0 x0 0 2 x0 0 x0 tan זמן הרפיה (relaxation time) הזמן שלוקח לאמפליטודה לרדת ל 1 / e 0.368 -מערכה ההתחלתי כלומר . 1 / תרגילים )(7.7 גוף שמסתו 100גרם מחובר לקפיץ בעל קבוע 5נ'\מ' .הגוף מתנדנד בתנועה הרמונית מרוסנת בעלת מקדם ריסון .b=0.2kg/secברגע t = 0הגוף נמצא במרחק 3ס"מ ממצב שיווי משקל ומהירותו שווה לאפס. א .מצא/י את משוואת התנועה של הגוף. ב .מהי תאוצת הגוף לאחר מחזור אחד? )(7.8 גוף שמסתו 1grמחובר לקפיץ בעל קבוע כוח .0.05N/mהגוף מתנדנד בתוך מים ,שמקדם הריסון שלהם . b 56 106 Kg / sec א .מהו זמן ההרפיה של האמפליטודה? ב .כיצד משפיעה צמיגות המים על זמן המחזור של התנודות? ג .מצא את מספר התנודות ,שיבצע הגוף ,במשך הזמן הדרוש לאמפליטודה לרדת למחצית מערכה ההתחלתי. )(7.9 גוף שמסתו 2ק"ג קשור לקפיץ בעל קבוע .11.2N/mעל הגוף מופעל כוח ריסון F bvוהגוף מבצע תנועה הרמונית מרוסנת .נתון כי במשך 12תנודות הגוף מגיע למצב הרפיה. א .חשב/י את המקדם .b ב .נתון כי ברגע ההתחלתי הגוף נמצא במרחק 4ס"מ ממצב שיווי משקל )בכיוןן החיובי( ונע במהירות 4ס"מ\ש' .מהי משוואת התנועה של הגוף? ג .מצא/י את הזמן בו הגוף עובר את מצב שיווי משקל בפעם הראשונה ובפעם השניה. 76 ) (7.10גוף שמסתו 1ק"ג קשור לקפיץ הנמצא על מישור אופקי .נותנים לגוף מכה קצרה כך שהוא מקבל מהירות .1 m/sהגוף מתחיל להתנדנד בתדירות של 1הרץ .התנודות מרוסנות ע"י כוח חיכוך - v ) f vמהירות הגוף(. א .רשום את משוואת התנועה. ב .מצא את הזמן בו האמפליטודה יורדת פי .2 ) (7.11גוף בעל מסה של 10ק"ג תלוי בקצה הקפיץ .קבוע כוח של הקפיץ הוא 10נ'\ס"מ .הגוף נע בנוזל אשר מפעיל על הגוף כוח התנגדות ) R 160Vכאשר – vמהירות( .רשום את משוואת התנועה של הגוף, אם ידוע כי ברגע התחלתי הוא נמצא במרחק 4ס"מ מתחת למצב שיווי המשקל ונע מטה במהירות 4 ס"מ\שנ'. ) (7.12למטוטלת מתמטית יש זמן מחזור של 2 secואמפליטודה התחלתית של . 1.50לאחר 10תנודות שלמות באוויר אמפליטודת התנודה קטנה לזווית של . 1.00 א. חשב את זמן ההרפיה של האמפליטודה. ב. כיצד משפיעה צמיגות האוויר על זמן המחזור של התנודה? )ללא שינוי ,מקטינה ,או מגדילה ,פי כמה?( ) (7.13גוף שמסתו 1grמחובר לקפיץ בעל קבוע כוח .0.05N/mהגוף מתנדנד בתוך מים ,שמקדם הריסון שלהם התלוי בצמיגות המים .b = 56x10-6Kg/sec ד .מהו זמן ההרפיה של האמפליטודה? ה .כיצד משפיעה צמיגות המים על זמן המחזור של התנודות? ו. מצא את מספר התנודות ,שיבצע הגוף ,במשך הזמן הדרוש לאמפליטודה לרדת למחצית מערכה ההתחלתי. ) (7.14גוף שמסתו 1Kgקשור לקפיץ ומתנדנד ללא ריסון .המערכת עושה 5תנודות שלמות תוך .10 secלאחר מכן מכניסים "ריסון" אשר גורם לכוח חיכוך אשר פרופורציוני למהירות התנועה .כתוצאה מכך במשך 5 תנודות שלמות המשרעת יורדת מי 0.1m-עד .0.05m dx d 2 x , א .כתוב משוואת התנועה הדינאמית ובטא מקדמים ליפני איברים dt dt 2 ו x -בצורה מספרית )בשיטה .(MKS ב .מצא זמן מחזור של תנועה הרמונית מרוסנת. ג .חשב את מספר התנודות )החל ממשרעת (0.1mבו תקטן המשרעת עד .0.05m 77 ) (7.15גוף נקודתי מבצע תנודות חופשיות מרוסנות עם תדירות . 25 rad / secב t = 0 -מהירותו ההתחלתית של הגוף שווה לאפס והעתקו ממצב שיווי משקל קטן פי 1.02ממשרעתו .חשב/י את מקדם הריסון של המערכת. 78 פרק ח' :גרביטציה חוקי קפלר על סמך תצפיות שנאספו על ידי טיכו ברהה ,מורו של יוהנס קפלר ,מצא קפלר כי בתנועת כוכבי לכת מסביב לשמש מתקיימים 3חוקים: (1תנועתם היא תנועה סביב השמש ,במסלולים אליפטיים שבהם השמש נמצאת באחד ממוקדי האליפסה. (2וקטור המיקום של כוכב לכת מסוים ביחס לשמש "מטאטא" שטחים שווים בזמנים שווים .מכאן שכאשר הכוכב מתרחק מהשמש ,מהירותו קטֵנה ולהיפך. (3אם נסמן ב T-את זמן המחזור של כוכב לכת מסוים וב r -את רדיוסו )במקרה של תנועה אליפטית ,r יסמן את הרדיוס הממוצע( נקבל כי היחס T 2 / r 3הוא גודל המשותף לכל כוכבי הלכת המקיפים את השמש. חוק הגרביטציה של ניוטון בהשראת חוקי קפלר מסיק ניוטון את החוק הבא :בין כל שתי מסות ביקום פועל כוח משיכה המכוון לאורך קו המחבר את הגופים והנתון בנוסחה m m )F G 1 2 2 rˆ (1 r m1 m2 גודל הכוח הוא r2 , Gכאשר m1ו m2 -הן מסות הגופים r ,הוא המרחק בין הגופים ,ו G-הוא קבוע אוניברסלי .הקבוע ,שנמדד לראשונה על ידי הנרי קוונדיש בשנת ,1798ערכו . G 6.674 1011 m 3 / kg s 2 בכתיבה הווקטורית rהוא ווקטור המיקום של גוף אחד ביחס לשני .כיוון הכוח הפועל על הגוף הוא ˆ, r כלומר הפוך מכיוון , rמשמע – כוח משיכה. כאשר הגופים אינם נקודתיים ובעלי סימטריה כדורית )כמו כוכבים רבים( ,המרחק rהוא המרחק בין מרכזי הכדורים. חוק זה ,ביחד עם חוקי ניוטון ,מסביר את כל חוקי קפלר ,כלומר מתאר את העיקרון של תנועת הכוכבים ביקום. 79 תאוצת הכובד :הקשר בין Gוg- כאשר מסה mנמצאת על פני כדור הארץ ,פועל בינה לבין הכדור כוח משיכה בהתאם לנוסחה ) ,(1עם r ME m שהוא , REהמרחק בין המסה ומרכז כדור הארץ, RE 2 . F Gבנוסחה זו M Eהיא מסת כדור הארץ. ME m כוח זה הוא זה שקראנו לו עד לפרק זה .mg ,כלומר מתקיים RE 2 .m g G תנועת לווין לווין הוא גוף הנע מסביב לגוף אחר בהשפעת כוח הגרביטציה .למשל ,כאשר בוחנים את תנועת כדוה"א מסביב לשמש ,אז כדוה"א הוא הלווין .הירח ,המסתובב סביב כדור-הארץ )וכמוהו גם לווינים רגילים( ,הוא לווין של כדור הארץ .בקורס נסתכל רק על מקרים בהם המסלול של הלווין הוא מסלול מעגלי .המסלולים של רבים מהלוויינים ביקום הם ,בקירוב טוב ,מסלולים מעגליים.1 עבור לווין שמסתו mהנע בתנועה מעגלית ברדיוס rמסביב לכוכב שמסתו Mמתקיים F ma M כלומר v 2 r M m v2 m r2 r . Gמתוך נוסחה זו והקשרים T 2 4 2 ניתן לקבל r3 G M 2 T G v r, לווין שמסתו m )זהו חוק קפלר מס' ,3עבור מסלולים מעגליים(. נתונים מספריים מסת כדור הארץ5.97 1024 kg : מסת השמש1.99 1030 kg : רדיוס כדור הארץ6.38 106 m : רדיוס השמש6.95 108 m : מסת הירח7.35 1022 kg : מרחק כדור הארץ מהשמש1.495 1011 m : רדיוס הירח1.74 106 m : מרחק הירח מכדור הארץ3.84 108 m : 1כדור הארץ ,למשל ,נע סביב לשמש במסלול אליפטי ,ומרחקו מהשמש משתנה מ 146 -ל 152-מיליון ק"מ .כלומר בקירוב טוב מדובר על מסלול מעגלי עם רדיוס של כ 150-מיליון ק"מ. 80 תרגילים בנושא גרביטציה )(8.1 נתונות 4מסות שוות 2 ,ק"ג כל אחת ,המסודרות בקודקודי ריבוע בעל אורך צלע 0.5מ' .מהו הכוח הגרביטציוני הפועל על כל מסה? ] 2.58 10 9 Nשכיוונו לאורך אלכסון הריבוע[ )(8.2 חשב את תאוצת הכובד על פני הירח .נתונים :מסת הירח 7.35 1022 kgורדיוסו . 1.74 106 m ) g ' 1.6 m / s 2 )(8.3 הניחו כי המסלול של כדוה"א מסביב לשמש הוא מסלול מעגלי ברדיוס . 1.495 1011 mידוע גם זמן המחזור )מהו?(. א .מהי מסת השמש? ) ( 1.99 1030 kg ב .מהי מהירות כדוה"א סביב השמש? ] 29.7קילומטר בשניה )!([ )(8.4 רוצים להכניס לוויין למסלול מעגלי קבועה סביב כדוה"א כך שיקיף אותו אחת ל 12-שעות. א. מהו רדיוס המסלול? ] [2.66 107mמהו מרחק הלוויין מפני כדור הארץ ? ב. מהי מהירות הלוויין? ][3869 m/s אנרגיה פוטנציאלית גרביטציונית האנרגיה הפוטנציאלית של כוח הגרביטציה הכללי הנ"ל נתונה בנוסחה r m m F r dr G 1r 2 U (r) הנוסחה האחרונה מתאימה למערכת של שתי מסות נקודתיות )או מערכת של שני כוכבים כדוריים ,במקרה זה rיהיה המרחק בין מרכזי הכוכבים. 81 ם )כולל אנרגייה פוטנציאליית( תרגילים )(8.5 גוף נופל מממנוחה בגובה 100ק"מ מעל פפני כדור האררץ .מהי מהירוות הפגיעה שלל הגוף בקרקעע? שפעת החיכוך עם האוויר. הזניחו את הש להשתמש בנוסחה המקקורבת .mghנוסחה זו מזניחה את השיינוי בתאוצת ההכובד של הגוף ש א .יש [443m שמרחק הגוף מממרכז כדור האארץ איננו גודלל קבועm/s] . הנופל ,שינויי הנובע מכך ש ב .מהי מהירות הגוף ללא ההזזנחה הנ"ל ? ] [ 440.6 m/s ג .חזרו על החישוב למקרה ש שהגוף נופל מגובה של 11500ק"מ מעל פניי כדור הארץ. )(8.6 לוויין שמסתתו 750ק"ג נע מסביב לכדוהה"א במסלול מעגלי בעל רדיוס של 70000ק"מ .ממטאור שמסתוו 250ק"ג ננע על קו לווין מטאור המשיק למססלול הלוויין ומתנגש בו התנגשות פלססטית כך שהגופים נעצצרים רגעית )ממיד לאחר ההתתנגשות(. כדוה"א א .מהי מהירות הלוויין לפני הההתנגשות? ][7549m/ss האנרגיה האובדת בהתתנגשות? ][8.55 10010J ה ב .מהי המהירות בה פוגעים ההגופים בארץ ? ][3328m/s ת ג .מהי )(8.7 שמסתם 20קק"ג מונחים בטטעות ,בו זמנית ,כלווינים שני גופים ש סביב כדוה""א ,ברדיוס ססיבוב של 107מטרים ,כאאשר המרחק בינהם הוא 2 107מטררים .המהירות ניתנת ללוויננים בכיוונים v זהים ,כך שההם עומדים להתתנגש )ראה אייור(. א .ידוע כי ההתנגשות בין הגופים היא אאלסטית ומהירה .מהו הזמן עד להתננגשות הראשוונה? מהו הזממן בין כל 2התנגשויות סמוכות? ב .אם ההתנגשות בין הגופפים היא פלסטית -מהי האנררגיה האובדת ם הגופים בארץץ ? בהתנגשות? מהי המהיררות בה פוגעים )(8.8 נמצאים במצב נייח ככאשר המרחק בין מרכזיהם הוא .Rמנקודדה זו ם שני כוכבים בעלי מסות mוM- שיכה ביניהם(. עליהם הוא כוח המש ם הם נופלים זהה לקראת זה )הכוח היחיד המשפיע א .מהם חוקקי השימור בבבעיה? ]חוק שיימור התנע וחוק שימור האנררגיה המכנית[ 82 v ב .מהי האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של מערכת כוכבים זו כתלות ב ,r -המרחק בין מרכזי הגופים? ] [ G m M r ג .מהי מהירות הגופים כתלות ב?(r<R) r- ד .הניחו שרדיוס הגופים זניח )ביחס ל .(R-איזה מרחק יעבור הגוף Mעד הפגישה? m M r תרגילים נוספים )(8.9 כדוה"א מקיף את השמש במסלול מעגלי )בקירוב( שרדיוסו .149.6 106kmהירח מקיף את כדוה"א 5 22 30 במסלול מעגלי שרדיוסו .3.84 10 kmמסת השמש 1.99 10ק"ג ,ומסת הירח הינה 7.17 10 ק"ג. א .מהו כוח המשיכה החזק ביותר בין השמש לירח? ב .מהו כוח המשיכה החלש ביותר האפשרי? ) (8.10גוף שמסתו mנמצא על ציר הסימטריה העובר בין שני כוכבים y נייחים שמסתם .Mהגוף מתחיל את תנועתו ממנוחה בנקודה y y0ומבצע תנועה מחזורית .נתון המרחק בין הכוכבים.2D : א. מהו התנאי שעבורו הגוף יבצע בקירוב תנועה הרמונית? ב. מצאו את ) y(tבקירוב של תנועה הרמונית. ג. מהו זמן המחזור של התנועה? ד. מהי המהירות המקסימלית של הגוף? פתרו פעם אחת m M D משיקולי אנרגיה )ללא הקירוב ההרמוני( ופעם שניה על ידי שימוש בתוצאה של סעיף ב'(. 83 D M ) (8.11נתונים שני כוכבים .רדיוס של כוכב מס' 1הוא Rומסתו היא .Mהרדיוס של כוכב מס' 2הוא 4R ומסתו .8Mנתונים .R ,M ,G : 1 א .הניחו שכל כוכב בנוי מחומר בעל צפיפות אחידה .מהו היחס בין צפיפויות שני הכוכבים 2 g1 ב .מהו היחס בין תאוצת הכובד על פני הכוכבים g2 ? ? V1 ג .מהו היחס בין מהירויות המילוט משני הכוכבים V2 ? ד .בגובה Rמעל פניו של כוכב מס' 1סובב לווין .בגובה 4Rמעל פני כוכב מס' 2סובב לווין נוסף. T1 מהו יחס זמני המחזור של הלווינים T2 ? )) (8.12בניית אינטגרל( מוט בעל מסה Mואורך Lנמצא בחלל .במרחק Dממרכזו יש מסה נקודתית .m מהו כוח הגרביטציה שמפעיל המוט על המסה הנקודתית? ידוע כי המוט דק וצפיפות המסה שלו אחידה. ) (8.13שלושה כוכבים בעלי מסה זהה נעים בתנועה מעגלית ברדיוס Rבהשפעת כוחות הגרביטציה שכל גוף מרגיש מצד שני הגופים האחרים .בכל רגע הגופים יוצרים משלוש שווה צלעות. א .אורך הצלע של המשולש? ב .מהו כוח הגרביטציה שמרגיש כל גוף )כוח רדיאלי(? ג .באיזו מהירות נעים הכוכבים? ) (8.14שלושה כוכבים בעלי מסה זהה נעים באופן הבא :כוכב אחד נמצע במנוחה והשניים האחרים נעים בתנועה מעגלית ברדיוס .Rהתנועה היא בהשפעת כוחות הגרביטציה שכל גוף מרגיש מצד שני הגופים האחרים .בכל רגע הגופים נמצאים על קו ישר. א .מהו כוח הגרביטציה שמרגישים הגופים הנעים בתנועה מעגלית? ב .באיזו מהירות נעים הכוכבים? 84 דפי נוסחאות אלגברה של ווקטורים הצגה קרטזית מכפלה סקלרית ווקטור יחידה בכיוון של A מכפלה ווקטורית ˆA Ax iˆ Ay ˆj Az k A B A B cos AB A x B x A y B y A z B z A Aˆ A A Ax2 Ay2 Az2 , A , A B A B sin ABהכיוון נקבע על פי כלל יד ימין מכפלה וקטורית ברכיבים ˆk ˆj Az Bz Ay By ˆi A B Ax Bx קינמטיקה של גוף נקודתי ˆ ˆ ווקטור מיקום במערכת קרטזית ˆr t x t i y t j z t k r r t2 r t1 העתק t dr v r t r0 v t dt מיקום ומהירות dt t0 t dv a v t v 0 a t dt מהירות ותאוצה dt t0 תנועה מעגלית t d t 0 t dt מיקום ומהירות זוויתיים dt t0 t t 0 t dt מהירות ותאוצה זוויתיים t0 2 v r תאוצה רדיאלית קשר בין גדלים משיקיים וזוויתיים ) ברדיאנים( s R ar 2 r v R a at a r תאוצה שקולה a at 2 ar 2 גודל תאוצה שקולה תנועה יחסית מיקום יחסי מהירות יחסית תאוצה יחסית דינמיקה 85 d dt rAB rA rB v AB v A v B a AB a A a B dv at R dt F ma f k k N החוק השני של ניוטון חיכוך קינטי f s s N F k x חיכוך סטטי חוק הוק )כוח קפיץ( עבודה ואנרגיה B WF A B F dr עבודה של כוח A הספק ועבודה t 2 dW F v W P t dt dt t1 אנרגיה קינטית P 1 m v2 2 Wtotal Ek Ek משפט עבודה – אנרגיה קינטית U mgh 1 U k x2 2 Wc Uכאשר Wcהיא עבודת הכוח המשמר ו U -היא האנרגיה הפוטנציאלית. U ˆ U ˆ U ˆ F U i j k y z x אנרגיה פוטנציאלית כובדית אנרגיה פוטנציאלית אלסטית עבודת כוחות משמרים כוח משמר ואנרגיה פוטנציאלית אנרגיה מכאנית כוללת E Ek U משפט עבודה-אנרגיה מכאנית E1 Wn.c E2 כאשר Wn .cהיא עבודת הכוחות הלא משמרים. מתקף ותנע הגדרת הכוח כנגזרת התנע )החוק השני של ניוטון( מתקף של כוח dP F dt t2 J F dt t1 תנע קווי משפט מתקף -תנע קווי )החוק השני האינטגרלי( תנועת מסה משתנה מיקום מרכז המסה מהירות מרכז המסה ) = Pהתנע הכולל של המערכת( p mv J total P dm d mכאשר rel m m Fext rel dt dt תנועת מרכז המסה m r m2 r2 mi ri , rcm 1 1כאשר M mi m1 m2 M mi v i pi P v cm mi M M 86 mi ai Fext acm M M תאוצת מרכז המסה מכניקה של גוף קשיח הגדרת מומנט כוח r F , r F sin F r חוק שני בתנועה סיבובית I כאשר Iהוא מומנט האינרציה הניצב מרחק הגדרת מומנט האינרציה ) = r I mi ri 2 r 2 dm מאלמנט המסה לציר הסיבוב( משפט שטיינר I I cm m h 2 )משפט הצירים המקבילים( כאשר hהוא המרחק בין הצירים המקבילים. אנרגיה קינטית סיבובית 1 Ek I 2 )סיבוב סביב ציר קבוע( 2 אנרגיה קינטית בגלגול 1 1 Ek m v 2cm I cm 2 2 2 תנע זוויתי )תנ"ז( ,גוף נקודתי L r P, L m v r sin m v r מתקף זוויתי t2 J dt t1 מתקף זוויתי כולל והשינוי בתנ"ז J L מומנטי אינרציה של גופים בעלי התפלגות מסה אחידה מוט דק סביב ציר המאונך למוט והעובר במרכזו 1 m 2 12 מוט דק סביב ציר המאונך למוט והעובר בקצה המוט 1 2 m 3 דסקה או גליל מלא סביב ציר הסימטריה העובר במרכז הגוף 1 mR 2 2 טבעת או גליל חלול סביב ציר הסימטריה העובר במרכז הגוף mR 2 כדור מלא סביב ציר העובר במרכז הכדור 2 mR 2 5 2 טבלה מלבנית )ארך צלעות aו , b -הציר עובר במרכז m a b2 / 12 המלבן )מפגש אלכסונים( ומאונך לו כבידה חוק הגרביטציה העולמי G m1m2 F ˆr 2 r אנרגיה פוטנציאלית כובדית G m1 m2 U כאשר U 0 r 11 2 קבוע הכבידה העולמי G 6.67 10 N m / kg 2 תנועה הרמונית מרוסנת 2 משוואת תנועה d x dx m 2 cx b dt dt פתרון משוואת התנועה x t A0 e t sin t כאשר, 0 c / m : 87 b 2m - ו 2 f 2 T 0 2 2 x0 A0 x0 0 x0 tan 0 x0 האמפליטודה 2 2 (זווית המופע )פאזה אינטגרלים ונגזרות אינטגרלים נגזרות dx 1 dx dx x d df a f a dx dx d df dg f x g x dx dx dx d m x m x m 1 dx d 1 ln x dx x d f x f x df e e dx dx d sin x cos x dx d cos x sin x dx d 1 tan x dx cos2 x a f dx a f dx f g dx f dx g dx x m 1 m 1 m 1 dx x ln x 1 ax b ax b e a e m x dx sin x dx cos x cos x sin x tan x dx ln cos x x 1 sin x 2 4 sin 2 x 2 x 1 cos x 2 4 sin 2 x 2 1 ax 1 e ax 2 a dx x x 2 a 2 3/2 a 2 x 2 a 2 xe ax dx 1 x arctan 2 a a a dx 1 xa a 2 x 2 2 ln x a x 2 2 x 2 a 2 dx x a x 2 88 dx 2 ln x x 2 a 2 x a יחידות Joule, J Joule, J Joule, J Watt, W meter, m meter, m 2 Newton, N meter/second, m/s radian/second, rad/s kg m2 Nm meter, m Kilogram, kg Ns Js Joule, J m/s2 rad/s2 Hertz, Hz Ns Js סימון E U Ek P r r F v I r m J J W a f p L Energy potential energy Kinetic energy Power displacement Torque arm גודל פיסיקלי אנרגיה אנרגיה פוטנציאלית אנרגיה קינטית הספק העתק זרוע Force Velocity angular velocity moment of Inertia Torque position Mass impulse angular impulse כוח מהירות מהירות זוויתית התמד-מומנט כוח-מומנט מיקום מסה מתקף מתקף זוויתי Work Acceleration angular accelaration Frequency momentum angular momentum עבודה תאוצה תאוצה זוויתית תדירות תנע תנע זוויתי 89