Tenta 8 juni!
Transcription
Tenta 8 juni!
2015-06-08 Tentamen i Mekanik I SG1130, baskurs P1 och M1. OBS: Inga hjälpmede förutom rit- och skrivdon får användas! KTH Mekanik Problemtentamen 1. Ett homogent halvcylinderskal hålls i jämvikt på ett horisontellt, strävt underlag med ett horisontellt snöre. Snöret har spännkraften P i figuren, på gränsen till glidning. Det finns vid glidningsgränsen ett samband mellan skalets lutning och friktionstalet µ . Bestäm detta. Undersök speciellt fallet att glidning inträffar då lutningsvinkeln är π/2. (3p) Ledning: Masscentrum för skalet befinner sig på ! symmetrilinjen i avståndet d = 2r / " från centrum längs figuren. 2. En partikel med massan m befinner sig i ett glatt, horisontellt rör. Röret är smalt och fast monterat i en ! centralkropp, som roterar med den konstanta vinkelhastigheten " kring en vertikal axel. Centralkroppen är cylindrisk och har radien R, som i figuren. Bestäm partikelns radiella accelerationskomponent på radiella avstånd r>R. Härled även en ! formel som beskriver hur normalkraftens horisontella komponent på partikeln beror av den radiella hastighetskomponenten. (3p) Använd den radiella koordinaten r och bortse från normalkraftens vertikala komponent som har storleken mg, där g är tyngdaccelerationen. 3. En kommunikationssatellit med massan m befinner sig i en elliptisk bana kring jorden med min- och maxhöjder över jordytan som i figuren. På vilket avstånd från jordytan har satelliten en fart v som är v= v A / 2 , där v A är den högsta farten i banan? (3p) Tyngdaccelerationen g vid jordytan är känd. 4. ! ! En cylinder med massan m hänger i en fjäder med fjäderkonstanten k som skall bestämmas. Under cylindern sitter en viskös dämpare med en kraftkonstant c. Bestäm fjäderkonstanten k så att rörelsen blir kritiskt dämpad. Bestäm också cylinderns maximala förflyttning nedåt om den släpps från ett läge där fjädern är ospänd. (3p) Tyngdaccelerationen g får användas. ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 Teoritentamen 5. 2a P h A a) En homogen låda står på ett strävt horisontellt plan och belastas av den horisontella kraften P enligt figuren. Lådan har massan m . Identifiera krafter som verkar på lådan. (1p) Obs: Krafters verkningslinjer är viktiga. ! Tyngdaccelerationen g är känd. ! b) Betrakta ett system av ändligt många krafter Fi som verkar i respektive angreppspunkter ri . Definiera kraftsystemets totala kraftmoment med avseende på en godtycklig punkt och visa att för två godtyckliga momentpunkter A och B gäller den så kallade "sambandsformeln för ! kraftmoment". (2p) ! 6. a) Vad menas med begreppet "ekvimomenta kraftsystem"? (1p) b) Formulera lagen om kraftens impuls. Definiera ingående storheter. (1p) c) Härled rörelseekvationen för en partikelpendel i vertikalplanet, dvs sambandet mellan vinkelaccelerationen och vinkeln. (1p) Använd partikelmassan m och pendellängden l för denna pendel. 7. a) Bevisa momentlagen för en partikel med massa m som påverkas av en kraft F . Definiera ingående storheter. (1p) b) Formulera minst två av Keplers lagar för planetrörelser. (1p) c) Visa att en satellitrörelses transversella acceleration försvinner i en plan elliptisk bana kring jorden. Försumma kraftverkan från andra himlakroppar än jorden. (1p) ! 8. a) Ett rakt svängande system beskrivs av ekvationen x˙˙ + cx˙ + bx = a , där a, b och c är konstanter. För vilka värden på dessa konstanter betecknas systemet som kritiskt, respektive svagt dämpat? Ange även svängningens jämviktsläge. (2p) ! b) Vilka (om någon) av följande är grundstorheter i mekaniken: Kraft, acceleration, rörelsemängd, tyngdacceleration? (1p) /Thylwe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 Problemlösningar (förslag) 1. ! Vi inför beteckningar enligt figuren. Jämvikt på gränsen till glidning ger omedelbart: N = mg och P = µmg . Momentjämvikt med avseende på cirkelcentrum ger dessutom: µ $& 2 ') sin " = % " rmg # rP ( sin * # rµmg = 0 , dvs: 2 $µ. ! ! # 1 För att speciellt kunna erhålla sin " = 1, krävs minst friktionstalet: µ = " . 2. ! ! ! Lösning: I rörelseplanet (horisontellt) finns bara en normalkraft från rörets vägg(ar). Den kraften är transversell. Newton 2 (radiellt): mar = m ˙r˙ " r# 2 = 0 . Dvs det finns ingen radiell acelleration. ( ) Men, Newton 2 (transversellt) säger: m(2 r˙" ) = N . Denna formel beskriver hur normalkraften i horisontalplanet beror av den radiella hastighets komponenten r˙ . 3. ! ! ! ! ! Lösning: Farten är störst vid det minsta avståndet till jorden, dvs på avståndet 2R från jordens centrum. Där är hastigheten transversell och farten kan betecknas v A . mgR m 2 mgR = vA " Energiprincipen, samt banenergin för känd storaxel ger: " => 6 2 2 2gR gR vA = . Med farten v = blir energifördelningen något!annorlunda: 3 3 mgR m # gR & mgR 2 ! " = % (" , där r är det sökta avståndet från kraftcentrum. Löses detta 6 2$ 3 ' r r = 3R . Höjden över jordytan blir 2R. Kolla satellitens läge i figuren. avstånd ut fås: ! Lösning med v A inte uträknad är också godkänt. ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: ! Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ! ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 4. ! Lösning: Inför origo för ospänd fjäder. Fjäderkraften Fk = "kx . Dämpningskrafter Fc = "cx˙ , samt tyngdkraften nedåt. Newtons 2:a lag: m˙x˙ = mg " kx " c˙x . ˙x˙ + c x˙ + k x = g . Svängningsekvationen: ! m m { { 2"# n # n2 ! Svängningsparametrarna är här införda i ekvationen. Naturliga vinkelfrekvensen för k svängningen: " !n = m . ! ! ! ! a) Kritisk dämpning kräver " =1, så att i!svängningsekvationen gäller c = 2 k , dvs m m 2 k = c . (2p) 4m ! b) Svängningsrörelsen bestäms från den allmänna rörelsen: x!( t ) = ( B + Ct )e -" n t + x j , där mg jämviktsäget är x j = . Begynnelsevillkoren är x (0) = 0, x˙ (0) = 0 : Då bestäms först k mg konstanten B: B = " . Sedan behövs uttrycket för begynnelsehastigheten: ! k # & mg mg x˙ (0) =!% " + Ct (e -) n t = C + ) . För!att detta skall kunna vara noll krävs: $ k ' k n mg mg mg 1+ # n t )e -# n t + . C = "! # n . Rörelsen är nu bestämd: x ( t ) = " ( k k k Vid maxutslag blir hastigheten noll, dvs mg mg mg 2 -" n t x˙ ( t ) = " n (1+ " n t )e -" n t # ! " n e -" n t = " te som blir noll när t = " . Läget vid k k k n mg den tiden är jämviktsläget x j = . Förflyttningen är alltså som mest från origo till k jämviktsläget. (svar) ! /Thylwe ! ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 Teoridelen 5a) Fritionskraft f, tyngdkraft mg och normalkraft N. Normalkraften verkar på avståndet x>a räknat från vänstra, nedre hörnet. I figuren har införts en kantlängd 2b för lådans höjd. 2a P mg (2b) h f A x b) N Ett kraftsystem kan alltid skrivas som ett antal krafter F j med motsvarande angreppspunkter r j (även för kraftparsmoment). I momentpunkten A mäter vi det totala momentet N ( ) MA = $ [r j " rA ] # F j , för samma krafter. ! j=1 ! I momentpunkten B fås: N ! ([ ] MB = $ r j " rB # F j j =1 ) Skillnaden blir i detta fall: N ! ([ ] N ) ( ) MA " MB = $ r j " rA " r j + rB # F j = $ (rB " rA ) # F j = j =1 N j =1 (rB " rA ) # $ F j . j =1 ! ! N Detta uttryck kan lätt förenklas om vi inför totala kraften F = " F j samt ! relativa läget rAB = rB " rA . Sambandet blir: MA = MB + rAB " F . j =1 6a) ! Kraftsystemen som är ekvimomenta har parvis lika totala moment i varje ! momentpunkt. Kraftsystemen har lika kraftsumma. ! t1 b) Definitioner: Rörelsemängd p = mv , Kratens impuls I = " Fdt . t0 Impulslagen "p = I med "p = p( t1 ) # p ( t 0 ) . ! ! ! ! ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 c) Lösning: Med trådkraft och tyngdkraft identifierade i figuren fås ur t ex energiprincipen: 1 m l"˙ 2 # mglcos" = E , där E är den totala konstanta energin. Genom att 2 tidsderivera fås ett samband som är oberoende av hur rörelsen börjar (begynnelsevillkor). Dvs ml 2"˙"˙˙ + mgl"˙ sin " = 0 , som kan förenklas till g rörelseekvationen (pendelekvationen): "˙˙ + sin " = 0 . l ( ) ! ! ! 7a) Definitioner: Rörelsemängd p = mv , där v är hastigheten, rörelsemängdsmoment d(r " p) ˙ ger HO = HO = r " p . Tids derivering = v " p + r " p˙ = r " p˙ , ty v och ! dt p är parallella. Newtons 2:a lag: p˙ != F medför att r " p˙ = r " F . Sammantaget fås ! ˙ momentlagen: HO = MO , där vi inför kraftmomentet enligt definitionen MO = r " F . ! ! ! b) K1: Planeterna rör banor runt solen, med solen i ena ! sig i (plana) elliptiska ! brännpunkten. ! K2: Planeterna rör sig med konstant sektorhastighet. ! K3: Omloppstiden och storaxeln i banan beror av vanrandra enligt formeln: T 2 = konst a 3 , där konstanten är samma för alla planeter. c) Gravitationskraften är radiell. Newtons 2:a lag ger i transversell riktning: ma" = F" = 0 , dvs a" =0. ! 2 Alternativt: Dubbla sektorhastigheten: h = r "˙ . Den är konstant. Transversell acceleration: a" = r"˙˙ + 2r"˙ . Derivering av h ger !0 = 2rr˙"˙ + r 2"˙˙ = r 2!r˙"˙ + r"˙˙ ! Vi ser att den transversella accelerationen är 0, ty r är inte 0. ( ) ! Svängningsekvationen för dämpad svängning: x˙˙ + 2"# n x˙ + # n2 x = a . I aktuellt fall görs identifieringar: " n = b , " = c . Alla positiva värden på b och c 2 b som satisfierar: c = 2 b (kritiskt dämpat), 0 < c < 2 b (svagt dämpat). 8a) ! ! ! massan ligga still, med hastighet och acceleration lika med I jämviktsläget kan ! 0. Detta ger ur svängningsekvationen jämviktsläget: x j = a /b . ! ! 8b) Inga av dessa. /Thylwe ! ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer! SG1130 Mekanik I, baskurs P1, M1 2015-06-08 SG1130 Mekanik-P, B, M Bedömningar OBS: Alla införda ekvationer och symboler skall motiveras!! Följande moment i typiska redovisningar av uppgifter kan leda till poängavdrag. En viss tolerans gällande moment M, B och S finns. Helhetsbedömningen av flera uppgifter kan innebära att ett poängavdrag (gällande M, B och S) drabbar bara en av flera uppgifter. • M (motivering): Typ: Otydliga motiveringar, motsägelsefulla ekvationer, odefinierade symboler, felaktiga definitioner. • MF (missuppfattning): Typ: Blandar ihop olika storheters definitioner. -1p -1p… -3p • B (beteckning): Typ: Vilseledande, felaktiga beteckningar. Skalär/vektor. Komposanter i stället för komponenter etc. -1p • S (svar): -1p… -3p Typ: Ofullständigt svar, ''okända storheter'' eller ”oförklarade beteckningar” kvar i svaret, etc. • L (logik): -1p Typ: Ologiska matematiska operationer. Dividerar med vektorer, fel multiplikation med vektorer. • K (krafter/kinematik) : Typ: Bristfällig analys av krafter/kinematik. • D (dimension): Typ: Sortfel i svar eller viktiga ekvationer. -1p -1p… -2p ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer!