Liite lukuun 6. Jäykän kappaleen tasokinetiikka
Transcription
Liite lukuun 6. Jäykän kappaleen tasokinetiikka
Dynamiikka 1 Liite lukuun 6. Jäykän kappaleen tasokinetiikka - harjoitustehtäviä 6.1 Avolavapakettiauton massa on 1500 kg . Auto lähtee levosta liikkeelle 10 % ylämäkeen ja saavuttaa vakioG kiihtyvyydellä nopeuden 50 km / h 0,6 m 1 10 60 m matkalla. Laske pyöräparien nor1,5 m 1,5 m maalivoimat ja vetävien takapyörien kitkavoima. Tien ja renkaiden välinen kitkakerroin on vähintään 0,8 . Vast. NE = 6550 N NT = 8100 N Fμ = 3880 N C 0,6 m B 1,5 m D G M C 1,5 m 1,8 m 6.2 Sauvan AC massa on 150 kg ja AG = GC . Sauva nostetaan levosta kohdasta θ = 0 o massattomien varsien AC ja BD avulla kohtaan C vaikuttavalla momentilla M = 5 kNm . Määritä varsien kulmakiihtyvyys α kulman θ funktiona ja laske varren BD normaalivoima, kun θ = 30 o . Vast. α = ( 14,18 − 6,54 cos θ ) 1/ s 2 BD = 2,14 kN A θ G 1,2 m A 6.3 Porakonetta kuljetetaan auton lavalla ja kuljettaja on unohtanut kiinnittää koneen lavaan. Lepokitkakerroin kohdassa A on 0,6 ja porakoneen massakeskiö on G. Määritä suurin kiihtyvyys a, joka autolla voi olla, jotta porakone ei luista eikä kaadu lavalla. Vast. 4,91 m / s 2 a 0,6 m a 15 o Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä 6.4 Kuvan mukaisella kuljettimella siirretään homogeenisia sylintereitä ylöspäin 15 o kulmassa vaakatasoon nähden. Sylinterin pohjan halkaisija on puolet sylinterin korkeudesta. Määritä suurin kiihtyvyys, jolla hihna voidaan käynnistää niin, että sylinterit eivät kaadu. Vast. 2,20 m / s 2 © Matti Lähteenmäki Dynamiikka 2 6.5 Kuvan mekanismia käytetään siirtämään laatikoita tasolta A tasolle B. Mekanismia ohjataan hydraulisesti siten, että kulma θ muuttuu ajan mukana funktion 480 mm G A D F θ B 12 00 m m C E 600 mm π π πt ( 1 − cos ) mukaisesti, missä ajan t yksikkö on sekunti ja 0 ≤ θ ≤ . Määritä 3 6 2 π niveleen D kohdistuva voima, kun a) θ = 0 + , t = 0 + ja b) θ = , t = 1 s . Laatikon ja 6 nostotason yhteinen massa on 200 kg ja massakeskiö G. Nostovarsien massaa ei oteta huomioon. Vast. a) 1714 N b) 2178 N θ( t ) = θ θ 6.6 Laatikon massa on 900 kg ja sen massakeskiö G on geometrisessa keskiössä. Laatikko on ripustettu vaijereilla A ja B sekä vaakasuoralla köydellä C. Köysi C irrotetaan äkillisesti, kun θ = 60 o . Laske vaijerin A rasitus välittömästi köyden irrottamisen jälkeen. Vast. 1616 N C 900 mm B A G 900 mm 0,6 m 0,3 m O P=1,80 kN 45o A 300 kg 6.7 300 kg betonimassaa nostetaan kuvan mukaisella mekanismilla. Nostorummut on kiinnitetty toisiinsa jäykästi ja niiden yhteinen massakeskiö on O. Rumpujen massa on 150 kg ja hitaussäde akselin O suhteen 450 mm . Moottori A aiheuttaa nostovaijeriin vakio voiman P = 1,80 kN . Määritä betonimassan pystysuuntainen kiihtyvyys ja laakerin O tukireaktioresultantti. Vast. 1,03 m / s 2 6130 N Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä © Matti Lähteenmäki Dynamiikka 3 6.8 Kuvan heilurin massakeskiö on G, massa 7,5 kg ja hitaussäde akselin O suhteen on 295 mm . Heiluri päästetään O θ 25 lepoasennosta θ = 0 o liikkeelle. Määritä laakerin O tukireaktioresultantti, kun θ = 60 o . Laakerin kitkaa ei oteta huomioon. Vast. 156 N m 0m G (a) (b) 0,25 m 0,25 m 20 kg 20 ⋅ 9,81N 0,25 m A B O 0,25 m C 0,25 m A B 0,5 m 0, 25 m A 0,15 m ω B C 6.11 Sauvoilla OA ja BC on sama massa 8 kg . Ne on kiinnitetty toisiinsa hitsaamalla kohdasta A ja muodostavat yhdessä T-muotoisen kappaleen, joka pyörii akselin O ympäri vapaasti. Kappaleen kulmanopeus on 4 1/ s sauvan OA ollessa vaaka-asennossa. Laske laakerin O tukireaktioresultantti. Vast. 101 N 6.12 Sauva AC pyörii vakio kulmanopeudella ω = 10 1/ s akselin O ympäri myötäpäivään. Kummankin varren AB ja CD massa on 4 kg ja niitä pidetään kuvan asennossa vaijereiden OB ja OD avulla. Vaijerit ovat kohtisuorassa sauvaa AC vastaan. Laske vaijereiden OB ja OD rasitus. Vast. 30 N 0, 25 m 0,15 m D O α b = 3,49 1/ s 2 6.10 Hammaspyörän A massa on 24 kg ja hitaussäde akselin suhteen 150 mm . Hammaspyörän B vastaavat suureet ovat 6 kg ja 75 mm . Laske pyörän B kulmakiihtyvyys, kun pyörään A vaikuttaa momentti M = 8 Nm . Vast. 23,7 1/ s 2 M 0,125 m 6.9 Nostorummun massa on 100 kg ja hitaussäde akselin suhteen 375 mm . Laske rummun kulmakiihtyvyys tapauksissa (a) ja (b), kun laakerin kitkaa ei oteta huomioon. Vast. α a = 3,20 1/ s 2 Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä © Matti Lähteenmäki Dynamiikka r 20 G 4 6.13 Metallirengas päästetään levosta liikkumaan pitkin kaltevaa tasoa. Renkaan säde on 150 mm , tason kal- tevuuskulma on 20 o , lepokitkakerroin μ s = 0,15 ja liikekitkakerroin μ k = 0,12 . Määritä aika jonka kuluttua rengas on liikkunut tasolla 3 m ja laske tätä hetkeä vastaava renkaan kulmakiihtyvyys. Vast. 1,63 s 7,37 1/ s 2 o 0,45 m 0,15 m 6.14 Rummulle A annetaan vakio kulmakiihtyvyys α 0 = 3 1/ s 2 , josta aiheutuu rullan B liike vaakatasolla. Rullan hitaussäde massakeskiönsä G suhteen on 250 mm . Rullan ja vaakatason välinen lepokitkakerroin on 0,25 . Määritä vaijerin G rasitus ja vaakatasosta α0 rullaan kohdistuva kit0,25 m kavoima. B Vast. 155 N 76 N A A 150 N θ G B O 6.15 Sauvan AB päät liikkuvat pitkin pystytasossa olevia johteita kuvan mukaisesti. Sauva on aluksi levossa asennossa θ = 30 o , kunnes voima 150 N alkaa vaikuttaa. Laske seurauksena oleva sauvan AB kulmakiihtyvyys ja rullien A ja B tukireaktiot. Kitkaa ei oteta huomioon. Vast. 4,69 1/ s 2 337 N 77 N a ω θ 6.16 Auton ovi on epähuomiossa jäänyt hieman raolleen, kun autoa aletaan jarruttaa vakio hidastuvuudella a. Johda lauseke oven kulmanopeudelle ω oven ollessa kohdassa θ = 90 o ja laske saranoiden tukireaktiokomponentit kulman θ funktiona. Oven massa on m, massakeskiön etäisyys akselista O on r ja hitaussäde akselin O suhteen on k. Vast. ω(90 o ) = 2 a r / k ω G O 0,1 m GO=0,04 m 6.17 Tasapainottamaton rengas vierii liukumatta vaakatasolla. Renkaan massa on 10 kg ja kuvan asennossa sen kulmanopeus on 2 1/ s . Renkaan hitaussäde massakeskiön G suhteen on 64 mm . Laske kuvan asentoa vastaava alustan ja renkaan välinen normaalivoima ja kitkavoima. Vast. 88 N 24 N Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä © Matti Lähteenmäki Dynamiikka 5 6.18 Raketti lentää maan ilmakehän yläpuolella 400 km korkeudella, jolloin pu- toamiskiihtyvyys on 8,69 m / s 2 . Raketti lentää pystysuuntaan nähden 30 o kulmassa ja sen jäljellä oleva massa on 300 kg . Rakettimoottorin työntövoima on T = 4 kN ja suutin on kuvan mukaisesti o 30 kääntyneenä 1o lentosuunnasta. Laske raketin massakeskiön G kiihtyvyyskomponentit a x ja a y sekä raketin kulmakiihtyvyys α . Raketin hitaussäde massakeskiön suhteen on 1,5 m . Vast. 6,87 m / s 2 2,74 m / s 2 0,31 1/ s 2 3m G T o 1 6.19 Kiertokangen AB massa on 0,6 kg ja hitaussäde massakeskiön G suhteen on 28 mm . Männän ja männäntapin A yhteenlaskettu massa on 0,82 kg . Kampiakselin pyörimisnopeus on vakio 3000 r / min , jolloin vastaava kulmanopeus on 100 ⋅ π 1/ s . Laske männän- μ=0 m 75 m A 32,5 mm G tappiin A kohdistuva voima asennossa θ = 90 o , kun komponenttien painovoimia eikä männän yläpuolista painetta oteta huomioon. Vast. 1522 N θ B O ω m 5m 42, 6.20 Pyörä vierii liukumatta ylös kaltevaa tasoa, kun 100 N voima vaikuttaa pyörän kehältä purkautuvaan köyteen. Laske pyörän kulmanopeus, kun sen keskipiste on liikkunut 3 m alkuasemasta, jossa pyörä 100 N oli lepotilassa. Pyörän massa on 40 kg , 0,1 m 0,2 m massakeskiö on O ja hitaussäde massakeskiön suhteen 150 mm . Määritä myös O 100 N voiman teho, kun pyörä on liikkuo 15 nut 3 m . Vast. 30,3 1/ s 908 W Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä © Matti Lähteenmäki Dynamiikka 6.21 Sauvan ABD massa on 20 kg ja massakeskiö B. A k θ 450 mm 60 0m m 60 0m m D B 6 Sauva päästetään levosta liikkeelle, kun kulma θ = 0 + . Rulla B liikkuu pystysuuntaisessa johteessa ja rulla A vaakasuuntaisessa johteessa, jossa oleva jousi alkaa puristua, kun sauva on kallistunut riittävästi. Määritä (a) sauvan kulmanopeus kohdassa θ = 30 o ja (b) nopeus, jolla rulla B osuu vaakatasoon. Jousivakio k = 5 kN / m ja johteet ovat kitkattomat. Vast. 2,74 1/ s 2,15 m / s 6.22 Kuvan mekanismin pyörien A massa on vB 30 kg ja hitaussäde massakeskiön O suhteen OB=375 mm 100 mm . Varsien OB massa on 10 kg ja niitä B voidaan pitää ohuina sauvoina. Luistin B massa θ θ A A on 7 kg ja se liikkuu kiinteätä pystysuuntaista 150 mm 150 mm sauvaa pitkin kitkattomasti. Jousivakio O O v0 k = 30 kN / m ja luistin alaosa koskettaa juuri k jousta varsien OB ollessa vaakasuorassa. Luisti päästetään levosta liikkeelle asemasta θ = 45 o ja kitka riittää estämään pyörien A luiston. Määritä (a) luistin nopeus sen osuessa jouseen ja (b) jousen suurin puristuma. Vast. 2,54 m / s 60,1 mm A m 0m 8 4 C O B 120 mm 6.23 Sauvan ACB massa on 20 kg ja hitaussäde massakeskiön C suhteen 160 mm ja se on kiinnitetty homogeeniseen ympyrälevyyn, jonka massa on 130 kg . Levy ja sauva päästetään levosta liikkeelle kuvan mukaisesta alkuasemasta. Laske levyn suurin kulmanopeus seurauksena olevan liikkeen aikana. Levy vierii liukumatta. Vast. 0,98 1/ s Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä 0,9m 0,45m 6.24 Kaapeli on kiedottu symmetriselle kelalle kuvan mukaisesti. Kaapelin päähän vaikuttava voima kasvaa funktion P( t ) = 6,5 ⋅ t N / s , t ≥ 0 osoittamalla tavalla. Kelan massakeskiön nopeus hetkellä t = 0 on 0,9 m / s vasemmalle. Kelan massa on 60 kg ja hitaussäde massakeskiön suhteen 250 mm . Määritä vO kelan kulmanopeus hetkellä G t = 10 s , kun tiedetään, että kela P vierii liukumatta. Vast. 2,60 1/ s myötäpäivä än © Matti Lähteenmäki Dynamiikka 6.25 Kuvassa esitetyn nostolaitteen pyörän E massa on 30 kg ja hitaussäde massakeskiön C suhteen 250 mm . Kuorman D massa on 40 kg . Kuorma liikkuu alussa nopeudella 1,2 m / s alaspäin, kunnes nostorumpuun A alkaa vaikuttaa myötäpäiväinen momentti, joka pitää nostovaijerin B rasituksen vakioarvossa 380 N . Laske pyörän E kulmanopeus, kun 5 s on kulunut momentin vaikutuksen alkamisesta sekä vaijerin O rasitus momentin vaikuttaessa. Kitkaa ei oteta huomioon. Vast. 8,53 1/ s 368 N A O B E C 375 mm v0 D 7 6.26 Suorakulmaisen särmiön muotoinen laatikko liukuu vaakatasoa pitkin vaG v kionopeudella v, kun se osuu kohdassa O c b olevaan matalaan korokkeeseen. Laske, G mikä on nopeuden v pienin arvo, jolla laaO tikko nousee asentoon A ilman loppunopeutta. Törmäyksen kohtaan O oletetaan tapahtuvan siten, että laatikko ei ponnahda takaisinpäin, vaan alkaa heti kääntyä. Laske myös törmäyksessä tapahtuva suhteellinen energiahäviö ΔE / E , kun b = c . Vast. 62,5 % A 200 mm 125 mm M B A 6.27 Hammaspyörät A ja B ovat aluksi levossa ja momentti M = 0 , jolloin pyörien akseleihin kohdistuvat rungosta voimat R A = 120 N ja R B = 64 N , jotka vaikuttavat ylöspäin ja aiheutuvat hammaspyörien painovoimista. Pyörään A alkaa sitten vaikuttaa momentti M = 6,8 Nm . 4 s kuluttua pyörän A liikemää- rän momentti akselinsa suhteen on 15 kg m 2 / s 2 myötäpäivään ja pyörän B liikemäärän momentti ak2 2 selinsa suhteen on 5 kg m / s . Laske tätä hetkeä vastaavat rungosta akseleihin ~ ~ kohdistuvat voimat R A ja R B . Ratkaise tehtävä tarkastelemalla pyöriä A ja B yhtäaikaa kappalesysteeminä. Vast. 107 N 77 N Jäykän kappaleen tasokinetiikka – harjoitustehtäviä © Matti Lähteenmäki