Luvun 3 esimerkit
Transcription
Luvun 3 esimerkit
Luvun 3 laskuesimerkit Esimerkki 3.1 Radio-ohjattavan auton nopeus on: ~ v = (−0.5 m/s2 ) · t ^i + (1.0 m/s + (0.075 m/s2 ) · t 2 ) ^j. a) Mikä on auton keskimääräinen kiihtyvyys aikavälillä b) Mikä on hetkellinen kiihtyvyys ajan hetkellä a) ~aav = ∆~ v ∆t = ~ v1 = ~v (0s) = 1.0 m/s ^j ja ~ v2 = ~v (2s) = −1.0 m/s ^i + 1.3 Nyt = 2.0 0 − 2.0 s? s? ~ v2 − ~v1 . t2 − t1 m/s ^j Näin ollen keskimääräiseksi kiihtyvyydeksi saadaan ~aav = ~ v2 − ~v1 t2 − t1 ~aav = −0.5 = −1.0 m/s ^i + 1.3 m/s ^j − 1.0 m/s ^j 2s m/s2 ^i + 0.15 m/s2 ^j b) ~a = d ~v dt = d ^ ^ (v i + vy j) dt x m/s2 ^i + 2.0 · 0.075 m/s2 · t ^j = −0.5 m/s2 ^i + 0.15 m/s2 · t ^j ~a(2s) = −0.5 m/s2 ^i + 0.3 m/s2 ^j = −0.5 Huomautus 1: edellä on annettu sekä keskimääräinen kiihtyvyys että hetkelliset kiihtyvyydet vektorimuodossa, kiihtyvyyksien itseisarvojen laskeminen vektorimuodoista on triviaalia. Huomautus 2: Tehtävässä annetusta nopeuden lausekkeesta voidaan laskea kappaleen paikka (integroimalla) halutulla hetkellä jos tiedämme paikan esim. hetkellä t = 0 s. Esimerkki 3.2 20.0 m korkean 15.0 m/s. Laske Pallo heitetään nopeudella talon katolta vaakasuoraan a) pallon kantama b) lentoaika c) kulma, jossa se putoaa maahan. Tarvittavat kaavat: x = v0x t y = y0 + v0y t − (1/2)gt 2 , missä y0 = 20.0 m ja v0y = 0.0 m/s. y = 0. 2y0 /g , missä negatiivinen Aloitetaan b)-kohdasta: lentoajan lopussa → 0 = y0 − (1/2)gt → 2 t=± aika ei ole mielekäs ratkaisu. t= s p 2 · 20.0 m = 2.02 s. 9.80 m/s2 a) Kantama x = v0x · t = 15.0 m/s · 2.02 s = 30.3 m Huom: 3 merkitsevää numeroa. c) Kulma α saadaan nopeusvektorin komponenttien avulla. tan α = " α = arctan vy vx = v0y − gt v0x m/s2 · 2.02 s 15.0 m/s −9.80 =− gt v0x # = −52.8◦ ≈ −53◦ . Esimerkki 3.3 Tarkastellaan tasaisella maalla tapahtuvaa heittoliikettä. Määritä lauseke a) heiton lentoajalle b) kantamalle ja c) lähtökulmalle, jolla saavutetaan maksimikantama. x = v0x t , y = v0y t − (1/2)gt 2 ja vy = v0y − gt . Peruskaavat ovat: vx = v0x , Ja v0x = v0 · cos α, v0y = v0 sin α. Oletetaan nyt heiton lähtevän ja lennon päättyvän tasolla T → 0 = v0y T − (1/2)gT 2 a) Lentoaika T b) kantama = 2v0 sin α g R , sij. t = T : R = v0x · 2 · v0 · sin α g R= v = 0 · 2 · sin α cos α 2 g v02 · sin 2α . g y = 0. c) maksimikantama saavutetaan kun edellisessä kaavassa saa maksimin, eli kun 2α = 90◦ → α = 45◦ . maksimikantama Rmax = v02 . g Tällöin sin 2α Esimerkki 3.4 Lentokoneen vaakasuuntainen keskeiskiihtyvyys on 5 g . Jos koneen nopeus on 2 Mach, niin mikä on lentokoneen radan säde? 1 Mach = äänen nopeus ilmassa, ≈ 340 m/s. arad = 5 g = 5 · 9.80 m/s2 = 49 m/s2 . v = 2 · 340 m/s = 680 m/s. arad = v2 r → r= v2 arad Lentokoneen radan säde on = m/s2 49 m/s2 (680)2 9.4 km. = 9437 m. Esimerkki 3.5 Kappale on ympyräradalla, jonka säde on 4.00 m. Tietyllä hetkellä vauhti kasvaa ja kiihtyvyyden tangentiaalinen komponentti saa arvon 2.00 m/s2 . Samalla hetkellä keskeiskiihtyvyyden arvo on 6.00 m/s2 . Mikä on tuolla hetkellä kappaleen vauhti ja kokonaiskiihtyvyyden suuruus? arad √ → v = arad · r = [6.00 4.9 m/s. = v2 r m/s2 · 4.00 m]1/2 = √ 24 m/s = Kokonaiskiihtyvyys ~a = ~arad + ~atan q 2 + a2 = [2.002 + 6.002 ]1/2 |~a| = a = arad tan 6.32 m/s2 . m/s2 = Esimerkki 3.6 Lentäjä yrittää lentää koneellaan pohjoiseen ja nopeusmittarin mukaan lentonopeus VP = 240 km/h on. Mittari antaa kuitenkin nopeuden ilman suhteen. Jos tuuli puhaltaa itään nopeudella VA = 100 km/h (maan suhteen), niin mikä on koneen nopeus suhteessa maahan? ~ vP /A = 240 km/h ^j, ~vA/E = 100 km/h ^i, missä P = lentokone (plane), A = tuuli (ilma, air) ja ~ vP /E = ~vP /A + ~vA/E = 240 km/h ^jp + 100 km/h ^i. v = |~vP /E | = 2402 + 1002 km/h ≈ 260 km/h. (earth). E = maa Suunta α: α = arctan ~ vA/E ~ vP /A ! 100 km/h = arctan 240 km/h ≈ 22.6◦ . Jatkokysymys: mihin suuntaan lentäjän pitää ohjata konetta lentääkseen oikeasti pohjoiseen? Mikä on tällöin v P /E ? vP /A = 240 km/h, mutta mikä on suunta? ~vA/E = 100 Luennolla esitetystä kuvasta (voit piirtää itse) näemme: 100 km/h β = arcsin 240 km/h = 24.6◦ km/h ^i, Nopeus: tan β = → vP /E = VA/E vP /E → vP /E = vA/E tan β 100 km/h = 218 km/h. tan 24.6◦