Något om Mekanik-Statik och Mathematica, läsanvisningar till
Transcription
Något om Mekanik-Statik och Mathematica, läsanvisningar till
HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica Något om Mekanik-Statik och Mathematica, läsanvisningar till Christer Nybergs bok i Mekanik Bertil Nilsson 2015-01-01 Points 0, y, 6 ; B 1, 2, 0 ; D 3, 0, 6 ; C Forces Ax , Ay , Az ; A Equilibrium eqn A B B T 11 6T 11 Ax T E E T Bx y Bz C, D 11 12 ; , E B Bx , 0, Bz ; B 0, 2, 0 ; E 2, 0, 6 ; E 0 C Ay 6 Bx 3T 2 Az 11 3T 3T 11 11 Bz 0 y Bx 4 Solution forces Solve eqn, Ax , Ay , Az , Bx , Bz , T 12 , y 6 Ax 4 , y 6 Bx 8 y 6 Ay Bz 12 y 10 y y 6 2, Az ,T 8 12 y 10 y y 6 11 y 6 , Effect of gliding support B Plot Evaluate Bx , Bz , T . forces , y, 4, 10 , PlotStyle Red, Blue, Green , AxesLabel "y m ", "Bx ,Bz ,T kN " B x ,Bz ,T kN 4 3 2 1 5 6 7 8 9 10 y m 1 2 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN ť Statik sid 1-7: Läs igenom. Att alltid arbeta i ett koordinatsystem är viktigt. Dimensionsanalys av ekvationer och svar är viktigt. Läs mer i häftena Något om SI-systemet och Mathematica , Något om Dimensionsanalys och Mathematica och Något om Matematisk modellering och Mathematica . Övning: [L2] 1.3, 1.7. sid 8-11: Läs igenom. Kraft är en vektor, så man kan lita på vektoralgebra. En hyfsad crashkurs finns i kapitel A sid 318-323, eller ännu bättre Något om Vektorer och Mathematica . Projektion (A.7) gör vi på riktigt, se nedan. Inga vinklar! Vi accepterar bara vinklar som indata (dock med skepsis) och översätter omedelbart till riktiga vektorer! Vi "räknar" aldrig med vinklar! Se upp för vinkelträsket! Exempelvis är (A.15-18) grrr sid 12: Arbeta "alltid" i ett högerorienterat normerat tredimensionellt (3D) koordinatsystem. Krafter kan delas upp som summan av sina komposanter (2.1). Skilj på komposanter (vektorer) och komponenter som är tal som man multiplicerar basvektorerna, t.ex. x , med. Riktningsvinklar och riktningscosiner är inget som en modern människa befattar sig med. sid 13: En vektor (kraft, moment, position, förflyttning, hastighet, acceleration ) är en storhet som har både längd (storlek, belopp) och riktning. I matematiken skrivs vektorer med liten fet bokstav och dess längd med motsvarande lilla enkla, exempelvis och a. Sambandet mellan dem skrivs a . Med hjälp av Pythagoras sats i 3D och vektorns komponenter räknas längden ut som a2x a a2y a2z . En vektor kan alltid brytas ned i sina två atomer, längd gånger en enhetsvektor i rätt riktning Jätteviktigt! I Mekanik brukar man göra avsteg från namnkonventionen och använda stora bokstäver för krafter och moment, exempelvis F . Vi börjar med att fixa till några nyttiga funktioner som återkommer jämt och ständigt. För att slippa krockande variabelnamn när man löser problem kan det ibland vara bra att rensa minnet i Mathematica och ladda funktionerna på nytt! Remove "Global` " ; Först storleken av vektorn . Tyvärr kan vi inte använda vanliga | som i linjär algebra när vi definierar funktionen, eftersom den är upptagen till annat i Mathematica, utan väljer några snarlika som skrivs l| till vänster (left) och r| till höger (right) om argumentet. Det väsentliga i funktionskroppen är alla variabler är positiva. : PowerExpandSimplify . . , resten är "Matematicapornografi" för att förenkla symboliska uttryck där , Thread Cases , Symbol, Infinity 0 Ständigt behöver man bestämma en enhetsvektor i samma riktning som en given vektor : liksom beräkning av enhetsvektor i riktning från punkt A till punkt B A ,B : B A samt slutligen projektion av en vektor på en annan vektor . proj : . Om man inte uppskattar svåra ackord på tangentbordet, kommer här samma funktioner i mer klassisk form. Använd vilka versioner du vill eller andra namn som du trivs med. Speciellt kan det som alternativ vara läge att använda de i Mathematica inbyggda funktionerna Norm[ ] som motsvarar . och Normalize[ ] som motsvarar . längd : ea : eAB A , B : B A proj , : proj Exemplen på denna sida är typiska atomer som kommer att vara grundläggande för all problemlösning. Övertyga dig om att du behärskar dem och framför allt; använd dem så att problemlösning görs på vårt moderna datoranpassade sätt! I utdata använder Mathematica gärna funktionerna sec Α 1 cos Α , Sec Α och cosec Α 1 sin Α , Csc Α . Dessa är en kvarleva från navigering på de gamla segelfartygens tid och anses numera, åtminstone i Europa, som lite exotiska , och ingår därför inte i den svenska skolundervisningen. Det samma får nog gälla för cot Α 1 tan Α , Cot Α . Vill man inte se dessa är det lämpligt att . HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 3 också aktivera följande. $PrePrint Första . Csc z Sec z Cot z 1 1 1 Defer Sin z , Defer Cos z , Defer Tan z &; mycket vanligt i verkligheten att en kraft defineras av sin storlek verkande mellan två punkter i modellen. 15 1,2,1 , 2,4,3 5, 10, 10 Andra och tredje handlar om att bestämma två vinkelräta komposanter till en given kraft . Läs inte dessa! Vi tar det på sid 17! sid 14-16: Hoppa över! sid 17: Ex 2.4. Viktigt att kunna dela upp en kraft i två vinkelräta komposanter, varav den ena är parallell med en given linje. Här gäller den linje som går genom punkterna C och D. Först kraften som så ofta är dold i storlek och riktning 14 1,2,1 , 4,4, 5 6, 4, 12 Sedan projektion på den givna linjen proj CD 10 2,3,5 20 , 9 1,1,3 20 , 9 9 Slutligen den vinkelräta C D 64 56 , , 9 9 CD 88 9 Naturligtvis håller man sig till vektorer! CN:s komponentande där man måste hålla reda på tecken befattar vi oss inte med. Är man intresserad av kraftens storlek så bestämmer man den isf. CD 10 3 Istället ritar vi lite 3D grafik som går att rotera med musen Graphics3D Thickness 0.005 , Blue, Arrow 0, 0, 0 , 2, 3, 5 Green, Arrow 0, 0, 0 , , Red, Arrow 0, 0, 0 , CD , Arrow 0, 0, 0 , C D , Dashing 0.01 , Line , C D CD , Vi tar några närbesläktade exempel till. Exempel: Dela upp kraften 1 i två vinkelräta komposanter, parallell respektive vinkelrät mot 2 . 1, 1, 3 , 4 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN Lösningsförslag: Börja med krafterna som är vektorer. Mathematica arbetar alltid med vinklar i radianer, men som vanligt kan man Π göra omvandlingen från grader till radianer som grader 180 , eller vackrare med deg som då resulterar i ett . Gradtecknet kan också hämtas ur palette. Ta för vana att alltid räkna i tre dimensioner, 3D. Vi lever ju i en sådan! 2D blir då bara ett enkelt specialfall. Läroböcker brukar vara översållade med 2D exempel, vilket är en kvarleva från handräknandets tid. Det var ofta för jobbigt att räkna i 3D! För oss är det tvärtom! Gör det enkelt med vinklar; räkna dem alltid från positiva x-axeln och positiva moturs, dvs som vanligt, så blir det sedan alltid rätt med att bara hänga på Cos&Sin. Låt Mathematica jobba! 200 Cos 30 1 , Sin 30 ,0 3 , 100, 0 100 300 Cos 30 2 40 , Sin 30 40 ,0 300 sin 20 , 300 cos 20 , 0 Därefter den parallella komposanten med projektion. 1 proj 2 100 sin 20 Simplify 1 2 3 sin 20 cos 20 , 100 cos 20 3 sin 20 cos 20 , 0 Sedan den vinkelräta komposanten. 1 2 1 1 100 cos 20 2 Simplify 3 cos 20 sin 20 , 100 sin 20 3 cos 20 sin 20 , 0 Avslutningsvis några ängsliga kontroller . Ser ut att vara i sin ordning! 2. 1 2, 1 2. 1 2, 1 2 1 2 1 0, 0, True Exempel: I mekanik är man ofta intresserad av summan av två eller flera krafter, en så kallad resultant, dess storlek och i gammalmodig mekanik även vinkeln i förhållande till en given riktning, exempelvis x–axeln. Sök resultanten samt lite vinklar till situationen i den vänstra figuren. Facit kan beskådas i den högra. Lösningsförslag: Räkna på smidigt med vektorer! 1 200 Cos 30 ,0 3 , 100, 0 100 2 , Sin 30 300 Cos 30 40 , Sin 30 40 ,0 300 sin 20 , 300 cos 20 , 0 1 2 300 sin 20 100 3 , 300 cos 20 100, 0 N 471.09 Enda tillfället då man använder definition av skalärprodukt är när man söker vinkeln mellan två vektorer. För övrigt varnar författaren för "vinkelträsket". I stället rekommenderas med skärpa användning av de mycket säkrare teknikerna skalärprodukt och projektion om man söker komposanter längs en önskad riktning. HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 180.0 . 1, 0, 0 5 1. ArcCos , Π 1 54.1634, 24.1634 Exempel: Vi tar ett exempel till där resultanten hamnar i andra kvadranten. Lösningsförslag: Vi får direkt resultanten 200 Cos 60 , Sin 60 , 0 150 Cos 60 75 , Sin 60 100 0, 1, 0 N 75 ,0 6.06602, 179.271, 0. Så vinkeln mellan och positiva x-axeln. Om inget annat anges räknas alltid vinklar från positiva x-axeln och positiv moturs. 180.0 . 1, 0, 0 ArcCos Π 91.938 Exempel: Sök de två vinkelräta komposanterna t , som ger upphov till radiell kraft i lagret vid C, och den nyttiga vridande kraften n under inverkan av enligt figur. Lösningsförslag: Först kraften. Notera att ArcTan[]kommer i två smaker, ArcTan[y/x]och ArcTan[x,y]som inte dividerar bort någon information, dvs ger rätt vinkel i alla fyra kvadranterna. Inte så viktigt här, men i framtiden kanske. 260 Cos Α , Sin Α .Α ArcTan 12, 5 240, 100 Sedan de två vinkelräta riktningarna, t i radiell led och n i tagentiell led, som vektorer. Låt som vanligt Mathematica göra även enkla saker, tex de förklarande additionerna av vinklar! Cos Α , Sin Α 1 .Α 90 30 .Α 90 30 3 , 2 2 Cos Α , Sin Α 3 1 , 2 2 Nu är det bara att projicera! 90 6 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN proj t 1 50 2 1 3 120, 3 120 50 3 2 proj n 1 1 3 50 120 3 , 50 2 3 120 2 Ett gammalmodigt och förbryllande begrepp som märkligt nog också dyker upp i moderna läroböcker i mekanik är så kallade riktningscosiner. Detta är helt enkelt cosinus för de tre rymdvinklarna mellan en given vektor och de tre basvektorerna. Om dessa efterfrågas kan man enkelt visa med skalärprodukt gör det gärna att de är komponenterna av enhetsvektorn . cos Α cos Β . cos Γ Ännu en gång varnar vi för att arbeta i vinkelträsket . Håll dig alltid till vektorer som har riktning inbyggd i sig! Speciellt viktigt är det i 3D! Om det förekommer vinklar i indata så skriv omedelbart om till riktiga vektorer. Den moderne ingenjören använder skalärprodukt och projektion om man söker komposanter längs en önskad riktning. Vinklar mellan vektorer är oftast helt ointressant. Exempel: Bestäm kraften så att resulterande kraften på båten blir 1000.0 N i positiv x–riktning. Lösningsförslag: Ansätt Fx , F y , 0 så har vi först resultanten av de två krafterna Fx , F y , 0 Fx 250 Cos 38 250 cos 38 , F y Nu är det bara att bestämma 1000.0, 0, 0 Solve ,0 250 sin 38 , 0 så att får den önskade egenskapen. Vi löser vektorekvationen Rx 1000.0, R y 0, Rz 0 . 1000.0, 0, 0 802.997, F y Fx , Sin 38 153.915 Ex 2.5. Första riktiga exemplet i CN:s bok (grattis). Återigen är det en äkta kraftvektor som ligger dold i storlek och riktning. Verkar vara vårt ständigt återkommande problem. Detta liknar mera verkligheten med kraft verkande mellan två punkter i en konstruktion snarare än skolans vinkelövningar vi sett hittils. Vi tjatar om detta i tid och otid som du märker, men för tillfället nice n' easy 1400 0,3,6 , 3,5,0 600, 400, 1200 sid 18: Ex 2.6. Bra C! Tidig friläggningsövning. Vi återkommer lite mer ordentligt till friläggning om en stund. Men klipp nu av repen och ersätt med DA SDA DA , osv. Jämvikt kräver att kraftsumman är noll med avseende på punkten D, dvs 0. Detta är i en vektorekvation Fx , F y , Fz 0. Vi skriver dem på högkant som i boken ekv SDA 0,0, 4 , 2, 2,0 SDA 6 SDB 3 SDA 6 gm 2 3 1, 1,0 SDC 0,0, 4 , 2,4,0 m g 0, 0, 1 0 3 SDB SDA 0,0, 4 , SDC 2 3 SDB 2 SDC 3 2 2 2 SDB 3 0 2 SDC 3 Lös nu ut de sökta spännkrafterna i linorna, dvs linkrafternas storlek! Funktionen som löser ekvationer heter Solve. Vi har fler symboler, SDA , SDB , SDC , m och g, än ekvationer så vi måste ange vilka vi söker. Smidigt ehh? HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 7 Solve ekv, SDA , SDB , SDC gm SDA gm , SDB 3 gm , SDC 6 3 2 Mathematica skriver ut symboler i bokstavsordning, lite retsamt är det just vid mg. Om man vet vad man gör kan man naturligtvis mata in det som en symbol mg i ekvationerna, även om det strängt taget är just produkten mg som är det rätta. Övning: [L2] 2.1, 2.2, 2.4-22 sid 19-25: Läs igenom om moment. sid 22 "Gäller detta i 3D fall?" Ja! Så (2.8) och givetvis (2.9) som special för annan punkt. Resten är brrrr sid 26-28: Bra exempel! Vektorprodukt skrivs cross , finns också som vanlig funktion Cross[ , ]. Momentet är en vektor, sk-t i CN:s komponentande. Så exempelvis ex 2.7. 0.15, 0, 0 0 15, 60, 10 0, 1.5, 9. Om man i Mathematica är speciellt intresserad av någon av vektorns komponenter kan denna enkelt hämtas/modifieras med indicering, t.ex. här z-komponenten 0 [[3]]. Detta kan också skrivas lite mer kompakt på tangentbordet som 0 [[ 3 ]] 0 3 9. Ex 2.9. Grekiska bokstäver hämtas från Palette, eller ΑΒΓΔ 0 F1 d, h, 0 0, 0, F1 0 d cos Β d2 a b g d q j Cos Β , 0 h sin Β Simplify 0, 0, F1 Sin Β , Θ = 0 .Β h ArcTan , d d 0, h 0 h2 CN slarvar ofta med numeriken d och h är givna som decimaltal, men CN svarar ändå exakt i första varvet. Beware! Så här är rätt enligt indata och CN:s slutliga svar. 0 . F1 200, d 0.4, h 0.5 0, 0, 128.062 Så här tolkar CN indata i första varvet. 4 0 . F1 200, d 10 0, 0, 20 5 ,h 10 41 Ex 2.10. Som hävarm kan man använda ortsvektorn för vilken punkt som helst längs kraftens verkningslinje. CN använder A så vi kan ju visa att det även fungerar med B. Kraften räknade vi ut på sid 17. A B 0, 3, 6 ; 3, 5, 0 ; 1400 A , B 600, 400, 1200 0 B 6000, 3600, 1800 I ex 2.11 blandar CN in dm helt onödigt. Räkna alltid i SI-enheter! Övning: Gör ex 2.11. [L2] 2.26, 2.33, 2.35(Rita Moz , Θ sid 29-53: Hoppa över! Π 0, 2 , 2.37-41 8 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN sid 54-58: Viktigt om jämvikt. Naturligtvis börjar CN med 2D (sk plant problem). Det absolut viktigaste är jämviktsekvationerna (3.1). (3.2), se friläggning nedan och på sid 59-65. Exemplen på sid 56-57 typiskt 2D. Gäller inte oss! Vi tar dessa två exempel när vi strax lärt oss friläggning och jämviktsekvationerna. Det viktiga på sid 57 är statiskt obestämda system. sid 59-65: Mycket viktigt! Friläggning är pudelns kärna i mekanik, både vid statik och dynamik. Du måste behärska detta!! Att lösa statikproblem ska följa kokboken 1. Placera allt i ett jordfast koordinatsystem. Arbeta alltid i tre dimensioner, 3D 2. Friläggning. Det vill säga frilägg modellens alla delar från varandra. I mekanik brukar en del kallas för en kropp. Inför kända yttre krafter och moment. Inför okända kontaktkrafter och moment mellan delarna enligt tabell sid 61–62, dessa blir alltid på den ena delen och på den andra. Rita tydliga figurer över delarna med alla kraft– och momentpilar tydligt markerade, gärna i olika färger. 0 i 3. Uppställning av jämviktsekvationer för varje del med avseende på xyz–riktningarna. 0 i i i Man kan använda godtycklig momentpunkt och naturligtvis går det bra att formulera jämviktsekvationerna med avseende på vilket koordinatsystem som helst. Typiskt för handräkning Vi får alltså 2 vektorekvationer för varje del, Fx , F y , Fz 0 och Mx , M y , Mz 0. 4. Lösning av jämviktsekvationerna är inte mekanik utan matematik. Om vi har n delar får vi 6n skalära ekvationer till Solve i Mathematica. 5. Tolkning av lösning arna , dimensionsanalys, grafer, ställ frågor till modellen Vi har två exempel som vi sparat sedan tidigare. Givetvis gör vi dessa på vårt sätt! sid 56: Vi har krafterna, som just krafter (riktiga vektorer). Dessa modelleras nästan alltid som storlek gånger en enhetsvektor i rätt riktning! Även om problemet är i 2D förbereder vi för verkliga sådana i 3D. Koordinatsystem är viktigt! Här väljer vi ett vanligt med origo i centrum, x-axeln åt höger, y-axeln rakt upp, och z-axeln rakt mot oss. Ta för vana att alltid börja med ortsvektorer till intressanta punkter. Ha alltid samma namnsättning punkt . P G A R Cos Π Β , Sin Π Β , 0 ; 3Π 3Π Β, Sin Β, 0 . c c Cos 2 2 3Π 3Π R Cos , Sin , 0; 2 2 2R ; Π Sedan motsvarande krafter. Det är bra om man alltid ser ortsvektorer och krafter som par jämnviktsekvationerna, speciellt moment . A , , så blir det väldigt lätt att sätta upp P 1, 0, 0 ; mg 0, 1, 0 ; f, N, 0 ; Sedan jämviktsekvationerna, här behövs både Solve 0 och i A, P G A f, N, Sin Β i 0 F 0 M r F 0 Sökta storheter 0, Simplify A i ΠP f P, N mg, sin Β 2 mg ΠP Enkelt va? Gör likadant varje gång!! sid 57: Koordinatsystem är viktigt! Här väljer vi ett vanligt med origo i ringen på lådans överkant, x-axel åt höger, y-axeln rakt upp, och z-axeln rakt mot oss. T Cos Β , Sin Β , 0 ; S Cos Π Α , Sin Π Α , 0 ; mg 0, 1, 0 ; Sedan jämviktsekvationerna, här behövs endast i 0, eftersom alla krafter går genom en punkt, origo i detta fall. HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica Solve 0, S, T mg cos Β Simplify mg cos Α S ,T sin Α 9 Β sin Α Β Glöm CN:s alla alternativ i ex 3.3 på sid 63. Vi gör det på vårt sätt. Först koordinatsystem sedan ortsvektorer till alla intressanta punkter 2a A , 0; 0, Tan Α B C G 0, 0, 0 ; 2 a, 0, 0 ; a, 0, 0 Mitt på balken ; Sedan linkraft, storleken sökt och riktning given. Det är bra att börja med punkterna eftersom de nästan alltid behövs för att definiera krafterna på ett smidigt sätt. Krafter i linor brukar heta (spännkraft) eller (tension) pyntade med lämpliga index. CA SCA SCA C, A sin Α , SCA sin Α , 0 tan Α Kontaktkraft vid balkens infästning i väggen. Här är alla x– och y–komponenter sökta. Döp krafter i harmoni med den punkt de angriper i. Heter man CN får man naturligtvis =(. B G FBx , FBy , 0 ; mg 0, 1, 0 ; Jämviktsekvationerna gör nu jobbet. Strängt taget behövs inte momentpunkt, men ta för vana att ta med allt det skadar inte. svar Solve CA C G, B CA B B G SCA , FBx , FBy mg tan Α SCA 2 sin Α First 1 , FBx 2 0, G B B vara med i momentekvationen eftersom vi har B (origo) som F 0 M r F 0 Sökta storheter mg mg tan Α , FBy 2 Vi kollar hur det ser ut för varierande Α. Ögat är suverän på att upptäcka intressanta grejer! Rita så ofta som möjligt! Plot Evaluate FBx , FBy , SCA . svar . mg 1 , Α, 10 , 60 , PlotStyle Red, Blue, Green , AxesLabel "Α rad ", "F mg" , PlotLegends "FBx mg", "FBy mg", "SCA mg" F mg 1.0 0.8 FBx mg 0.6 FBy mg SCA mg 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Α rad Det är inte bara vid lösningen av jämviktsekvationerna som Mathematica kan hjälpa till utan även med själva formuleringen av dem! En potentiell felkälla mindre och man kan fokusera på mekanik! Om vi är konsekventa vid modelleringen och alltid arbetar med par av intressanta ortsvektorer och krafter som angriper där samt namnsätter dem som i , i , i 1, , n får vi direkt punkt 3&4 i kokboken n Solve i i n i, i i 0, i i Låt oss göra om ex 3.3 igen på detta sätt! Vi gör ett snabbt hack och hänvisar till kommentarer i föregående version! 10 Mekanik-Statik och Mathematica 0, 0, 0 2a 0, , 0 Tan Α 0 1 2 a, 0, 0 a, 0, 0 2 3 Punkt B ; Punkt A ; Punkt C ; Mitt på balken HH/ITN/BN ; FBx , FBy , 0 ; 0, 0, 0 ; SCA 2 , 1 ; mg 0, 1, 0 ; 0 1 2 3 3 3 i, SimplifySolve i 0 mg SCA Π 2 cos Α 2 Α 2 i 0 1 , FBx 0, SCA , FBx , FBy , 0 i i mg mg tan Α , FBy 2 Exempel: Sök spännkrafterna i linorna som bär upp den m kg tunga ljussignalen. Lösningsförslag: Lägg in ett koordinatsystem med origo i linornas infästning i ljussignalen. Spännkrafterna är som vanligt S . Så med L för vänster och H för höger som pyntning får vi direkt efter friläggning, uppställning av jämviktsekvationerna och skedmatning av Solve de önskade storheterna. Lägg märke till att vi har två ekvationer och tre variabler inblandade, SL , SH och mg, så vi måste ange vilka som önskas. spänn Solve SL Cos 180 30 , Sin 180 SH Cos 45 , Sin 45 , 0 mg 0, 1, 0 0, SL , SH 2 mg ,0 6 mg SL , SH 1 30 1 3 3 Exempel: Sök spännkrafterna i linorna som funktion av nedhänget d. Lösningsförslag: Jämfört med föregående skolexempel är i verkligheten nästan alltid krafter angivna längs en syftningslinje riktad från en punkt mot en annan. Det kan exempelvis vara som här en lina som verkar mellan två punkter i en konstruktion, och man vill veta påkänningarna i infästningspunkterna. Perfekt riggat för linjär algebra! Börja alltid med att definiera ett koordinatsystem, här med origo mellan 10 och 20 , sedan ortsvektorerna för intressanta punkter i konstruktionen 10, 0, 0 ; 20, 0, 0 ; 0, d, 0 ; A B G De sökta spännkrafterna är som vanligt SGA GA 10 SGA d2 20 SGB d2 400 d SGA , 100 SGB GB G, A d2 , 0 100 G, B , d SGB d2 400 , 0 S och erhålls enkelt med hjälp av punkterna. HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 100 0, G 11 1, 0 0, 100, 0 De sökta spännkrafterna erhålls efter studium av kraftjämvikt, spänn Solve GA d2 200 SGA GB 100 , SGB 3d 0. 0 G 100 i d2 400 3d Nu piggar vi upp oss med en bild Plot Evaluate PlotRange SGA , SGB . spänn , d, 5, 50 , PlotStyle Red, Blue , 0, 50 , 0, 150 , AxesLabel "d m ", "SGA ,SGB N " SGA ,SGB N 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 Avslutningsvis gränsvärdena då d stöden. Limit SGA , SGB 200 100 3 3 50 d m . Resultatet motsvarar reaktionskrafterna i stöden om lasten hängde i en styv bräda mellan . spänn, d Övning: ex 3.4 och ex 3.5 sid 64-65! Exempel: I skolexempel brukar man klara sig med enkel vinkelexercis när man söker komposanter för uppställande av jämviktsekvationer. Så är det nästan aldrig i verkligheten. Däremot vet man nästan alltid en syftlinje längs vilken en kraft verkar. Detta passar oss precis Vi kan utgå från kända punkter och sedan vila tungt och tryggt mot våra kunskaper om vektorer. Enklare kan det faktiskt inte göras Häng med I en glatt cylinderformad skål hålls en liten massa på plats med hjälp av en lina enligt figur nedan. Bestäm normalkraften på massan i kontaktpunkten mot skålen samt spännkraften i linan som funktion av läget . Lösningsförslag: Vi börjar med ortsvektorer för intressanta punkter. För att det ska bli riktigt enkelt ska man ta för vana att alltid arbeta i tre dimensioner, det vill säga "häng på" z 0 om skådespelet utspelas i xy-planet. r Cos , r, h, 0 ; A B Sin ,0 ; Krafter på massan. Utnyttja att en vektor kan brytas ned i sina två beståndsdelar: storlek gånger en enhetsvektor i rätt riktning. Först tyngdkraften. mg 0, G 1, 0 ; Normalkraft mellan massa och skål, verkande på massan i riktning mot O. FN N FN A cos , FN sin ,0 Spännkraft i linan, verkande på massan i riktning mot B. SAB AB A, B SAB r h r sin r cos SAB h , 2 r r cos 2 h r sin r sin , 0 2 r r cos 2 12 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN Visst blev spännkraften AB i linan lika löjligt lätt att bestämma som de "enkla" krafterna G och N ? Med vinklar hade det varit betydligt svårare! Detsamma kan sägas om uppställande av jämviktsekvationerna, om man inte inser att kraftjämvikterna helt enkelt är projektioner av krafterna på våra basvektorer, det vill säga deras naturliga komposanter! Med andra ord behöver vi inte göra något mer än att addera samman och tacka vektorformalismen! På köpet får vi en vacker utskrift med i i första kolonnen och i i den andra. ekv G AB , N A G N 0 AB r r cos SAB cos sin Simplify FN r r cos 2 h r sin 2 mg O 0 h r sin SAB FN 0 0 r r cos 2 h r sin 2 r r cos 2 h r sin 2 cos r sin SAB r h SAB cos mg 0 r r cos 2 h r sin 2 Nu är det bara att lösa ut de efterfrågade storheterna. krafter Solve ekv, FN , SAB mg r cos FN h cos Simplify h2 mg cos 1 2 r2 cos 2 h r sin 2 r2 , SAB r sin First h cos r sin Vi har nu lärt oss ett mycket lätt och effektivt datoranpassat arbetssätt som håller i alla väder!! Till slut piggar vi upp oss med en numerisk konfiguration. Π PlotEvaluate Last krafter . r 1, h 1, mg 1 , , 0, , 2 PlotStyle Red, Blue , AxesLabel " rad ", "FN mg,SAB mg" FN mg,SAB mg 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 rad 0.5 1.0 1.5 sid 66-67: Friläggning i flera kroppar. Friläggning av varje delkropp som vanligt. Övning: ex 3.6 och ex 3.7 sid 68: Flera block med lina. Läs kursivt, så gör vi två andra istället. Exempel: En student försöker hålla sig själv och den betongplatta han står på i jämvikt genom att dra i ett rep som löper från hans hand genom ett linblock, fäst i betongplatten, upp till ett fäste i taket. Undersök förutsättningarna kring detta, och med vilken kraft han måste dra i repet. Lösningsförslag: Frilägg de tre delarna; linblock, student och betongblock. Inför kända krafter och okända kontakt eller snittkrafter som det brukar heta när det gäller rep. Låt studenten väga m kg och betongplattan M kg. S F S F S mg N N Mg HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 13 Här räcker det med en enkel kraftjämvikt uppåt för de tre detaljerna i tur och ordning och noterar att studenten måste kunna hålla upp både sin egen och betongplattans tyngd. Solve 2 mg , Mg, mg, 2 mg Mg Mg , 2 mg 0, , , Mg Exempel: År 1858 infördes antagningsprov till universiteten i Oxford och Cambridge för dem som var under 16 år och under 18 år. Man måste klara två ämnen bland flera möjliga, förutom religion. Anmälningsavgiften motsvarade en poliskonstapels veckolön. Här är en frågeställning från fysikprovet för 15-åringarna; Ett linblock A är monterat i taket. En tyngdlös lina löper över A. Dess ena ände går under ett linblock C och är fastsatt i centrum av ett annat linblock B. Linans andra del löper under B och är fastsatt i centrum av A. Antag att blocken är tunga och att deras radier är sådana att linans vertikala delar är parallella. Sök vid jämvikt inspänningskraften i taket vid A, spännkraften i linan och massan mB om mC 10 kg. Lösningsförslag: Deschiffrera texten till en figur. Frilägg sedan de tre linblocken genom att klippa av linorna mellan dem. För in kraften från taket, tyngdkrafter och snittkrafter i linorna, och jämför sedan med figuren till höger Nu räcker det med en enkel kraftjämvikt uppåt för var och en av de tre linblocken i tur och ordning för att bestämma de efterfrågade storheterna. P A S S S B C S mB g mC g Solve 3 , A mB g, B mC g, C 10 0, , , mB , mC mC 15 g, 5 g, mB 5, mC 10 sid 69-71: Näe! sid 72-74: Äntligen hinner CN ikapp till 3D! Vi gör ex 3.12 och ex 3.13 med vår namnsättning. Ex 3.12: Först koordinatsystem därefter ortsvektorer för alla intressanta punkter. 0, a, 0, a, 1 O A B D 0, 0 ; 0, c ; 2 b, 2 c ; b, c ; D; E Återanvänd gärna gamla punkter 2 4 D; G 5 Sedan linkrafter, storlekar sökt, riktningar givna. SDB DB D, B a SDB a2 b2 SEA EA c2 a2 b2 a2 b2 c SDB , c2 a2 b2 c2 E, A a SEA b SDB , b SEA , c2 a2 b2 c SEA , c2 a2 b2 c2 Kontaktkraft vid balkens infästning i väggen och tyngdkraft. Döp kraft i harmoni med den punkt den angriper i. 14 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN FOx , FOy , FOz ; mg 0, 0, 1 ; O G Jämviktsekvationerna gör nu jobbet. Solve DB D EA G, O DB E EA O O G F 0 M r F 0 0, G SDB , SEA , FOx , FOy , FOz 2 mg a2 SDB b2 c2 a2 4 mg , SEA 5c b2 c2 2 a mg , FOx 5c 5c 2 b mg , FOy mg , FOz 5c 5 Ex 3.13: Först koordinatsystem därefter ortsvektorer för alla intressanta punkter. 0, 0, 0 ; 4 a, 0, 0 ; 4 a, 2 a, 0 ; 4 a, 2 a 2 a 3 a, 2 a ; 0, 2 a 2 a 3 a, 4 a ; O A P E F Undvik huvudräkning, mer dokumenterande Sedan linkraft, storleken sökt, riktning given. S A, F 4S 7S 4S , , 9 9 9 Kontaktkrafter vid balkens infästning i väggen vid O och i glidlagret vid E samt yttre kraft och moment vid P. Döp dessa i harmoni med den punkt den angriper i. FOx , FOy , FEx , FEy , 0, 0, P 0, 0, C O E P P FOz ; 0 ; ; ; Ingen axiell kraft i glidlager Jämviktsekvationerna gör nu jobbet. Solve O E, P A O O P P E S, FOx , FOy , FOz , FEx , FEy 9 S C 10 P 28 a 4aP , FOx 7a C E C , FOy F 0 M r F 0 0, Simplify P 6aP 4a C , FOz 3aP 7a , FEx 6P 2C 7 7a P , FEy Alla okända storheter kommer med på köpet, inte bara S. CN räknar rätt på denna iaf! Övning: 3.1, 3.5(Rita P Β , S2 Β ), 3.5, 3.7(Alla Pi ), 3.11, 3.21, 3.21, 3.26, 3.33 sid 75-90: Näe! sid 91-101: Bra! Formelsamling finns i Problemsamlingen s. 219-220. Se figur nedan där ett antal diskreta massor mi är placerade vid xi på x-axeln och formulera frågeställningen vid beräkning av tyngdpunkt, eller masscentrum, som "Var ska stödet på gungbrädan placeras så att vi har jämvikt?". Låt stödet vara placerat vid xG (center of Gravity). De massor som sitter till vänster om xG vrider moturs med ett moment xi xG mi g och de till höger med ett motsvarande moment medurs. Vid jämvikt ska bidragen från de två sidorna ta ut varann, det vill säga ni 1 xi xG mi g 0. Denna ekvation bestämmer tyngdpunktens läge xG . Om vi sedan ersätter mi med en kontinuerlig massbeläggning Ρ x kg/m på talaxeln och går i gräns får vi så båda formerna av tyngdpunktsbestämning. Givetvis är det helt analogt i y- och z-riktningarna vid bestämning av tyngdpunkten för en modell i 2D eller 3D. Om kroppen har en symmetriaxel så ligger tyngdpunkten på denna, det vill säga vid flera symmetriaxlar så ligger den i skärningen mellan dessa. Diskret form n xG mi i 1 xi 0 Ρ x kg m Kontinuerlig form m Ρx x a x x x b x m x xG m b a x xG Ρ x x 0 HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 15 Tydligen handlar det om att integrera något abstrakt begrepp som massa. Då kommer någon fysikalisk princip som kopplar begreppet till geometri väl till pass. En ofta använd sådan är att massa är densitet gånger volym m ΡV med enheten kgm3 på densiteten. Inte sällan används lämplig enhet på densiteten beroende på omständigheterna. Exempelvis en tråd m ΡL med kg m som enhet på Ρ och m ΡA på ett papper med Ρ i enheten kgm2 . För att passa den lilla infititesimala formen uppträder de sedan som m Ρ V och så vidare. I läroböcker ser man ofta en uppdelning i två integraler b a x xG m b x a 0 m xG b a m xG b x a b a m xG m 1 b x M a m, där M är massan för hela kroppen. Passar för dem som handräknar exempelvis 3) på sid 98. h x 0 xG h 0 Ρ bx h bx Ρ h x x 2h 3 På sid 101 i 9) använder CN det faktum att del1 Man får alltså en ekvation. 1 m1 4R Π R2 ; xg1 Ρ ; m2 2 Ρ 2R del2 2 3Π Solve m1 xg1 m2 xg2 1 hela, där del2:s tyngdpunkt är okänd (sökt) medan del1 och hela är kända. Π R 2 ; mG 2 Ρ 2R ; xG R; 2 mG xG , xg2 Simplify 20 R xg2 24 3Π Ett annat sätt är att låta utskurna delar ha negativ massa! Här hela kvadraten minus halvcirkeln. mG xG m1 xg1 Simplify mG m1 20 R 24 3Π Exempel: I en smal rak stång med längden L m är densiteten Ρ kg m proportionell mot avståndet i kvadrat till stångens ena ändpunkt. Bestäm tyngdpunkten xG ur ekvationen m x xG m 0. 0 L Lösningsförslag: Låt x vara koordinat i stången räknat från "ena" ändpunkten. Massan för en liten bit x vid x blir då m Ρ x kx2 x och slutligen tyngdpunktens läge. L Solve x G k x2 x 0, G 0 3L G 4 Exempel: Bestäm tyngdpunkten för en triangel med basen b och höjden h. y 2 Vi antar har ytdensiteten Ρ kgm . Placera den enligt figur och strimla den i x–led. En sådan strimla rektangel vid x har bredden x och höjden y och sålunda arean A y x och massan m Ρ A. Slutligen ges kopplingen mellan x och y av likformiga trianglar y b h x . Så nu är det bara att h b y meka ihop det hela och lösa ut xG . x h h Solve 0 h G 3 x G x x Ρb h 0, G x h x x 16 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN Exempel: Bestäm tyngdpunkten för en homogen cirkulär kon med bottenradien R och höjden H. Lösningsförslag: Lägg konen ned så att spetsen hamnar i origo och x-axeln längs dess rotationsaxel. Vid x har den lilla cylindern en radie y som ges av likformiga trianglar (rita!) x G x ΡΠ R H och höjden x. Så m ΡΠy2 x, varav tyngdpunkten Ρ V 2 R H Solve y x x 0, G H 0 3H G 4 y Exempel: Bestäm tyngdpunkten för en tunn tråd som är böjd till en halvcirkel med radien R och medelpunktsvinkel 2Α. Tyngdpunktens läge xT ges av ekvationen m x xG m 0. R 2Α Lösningsförslag: Använd polära koordinater. Massan för en liten bit s vid x R cos Θ blir då m Ρ s ΡR Θ. Så nu är det bara att lägga samman alla små bidrag och slutligen bestämma tyngdpunktens läge. x y s R Θ Θ Θ x 2Α Α Solve R Cos Θ G ΡR 0, Θ G Α R sin Α G Α Exempel: Bestäm tyngdpunkten för en tunn homogen cirkelsektor med radien R och medelpunktsvinkeln 2Α. Tyngdpunktens läge xG ges av ekvationen m x xG m 0. y R 2Α x Lösningsförslag: Vi är kreativa och delar upp sektorn i mindre sektorer med bågvinkeln Θ, se föregående exempel med ståltråden. Vi har nu smala trianglar med massan m 2 3 från basen enligt tidigare exempel x Α 1 Α 3 G 3Α Ρ 2 2 R sin Α G Ρ 1 2 basen höjden Ρ 1 2 R Θ R och tyngdpunkten på en tredjedel av höjden R cos Θ . Så nu är det bara att meka ihop det hela. 2 R Cos Θ Solve Ρ A R2 Θ 0, G HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 17 Man kan också dra nytta av förra exemplet och betraktar en liten lökringsbit som en tunn tråd. Vid radien r har denna då tyngdpunkten r sin Α Α och massan m R Ρr2Α r. Så nu är det bara att lägga samman alla små bitar och beräkna xG . r Sin Α Solve G Ρr2Α r 0, G Α 0 2 R sin Α G 3Α sid 102-105: Näe! sid 106-116: Bra! Övning: Gör ex 5.1-5.5 sid 117-118: Näe! sid 119: Känna till (5.10). sid 120-122: Näe! Övningar som ska redovisas Betyg 3: 2.10, 2.12, 2.15, 2.17, 2.21(rita som funktion av Β Π 0, 2 , 2.24, 3.11, 3.19-20, 3.61, 4.1-6, 5.3, 5.26 samt S1 nedan. S1: En student är i full färd med att byta bostad under julhelgen. Antag att lådan har massan m och att friktionskoefficienten mellan låda och asfalt är Μ. a Frilägg och bestäm F Θ . b Sök det Θ som minimerar F Θ . c Rita FΘ mg för några olika Μ 0.1, 0.9 . d Verifiera c mot b . Betyg 4-5: 2.23, 2.25, 2.35(Rita Moz , Θ Π 0, 2 , maxvärde?, 3.25, 3.28, 3.37, 3.54, 3.62, 3.67, 4.9-10, 5.10 samt S2 och S3 nedan. S2: En homogen stång AB med längden a och massan m är vridbar i ett vertikalplan kring en axel i A. En lina är fäst i B och lagd över en liten trissa C. Linan uppbär en kropp med massan km. Punkterna A, B och C ligger i ett vertikalplan. Bestäm jämviktsvinkeln för olika värden på k 0, om anordningen är friktionsfri. Rita ett diagram över k . S3: En homogen kon med basradien R och höjden 2R vilar med sin buktiga yta mot ett strävt horisontellt bord. Konen stympas med ett plan parallellt med basytan på avståndet 2x från toppen. Vad är radien, det vill säga x, i den största kon som kan huggas av utan att den stympade konen tippar? 18 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN ť Blandade tillämpningar för resten Exempel: En student i mekanik vill väga sig själv. Till hands finns en potatisvåg som klarar 40 kg och en vanlig fjäderdynamometer som klarar 80 N. Med viktlösa linor och taljor riggar han upp enligt figur och avläser 35 kg på vågen och 75 N på dynamometern. Efter en liten kalkyl kan han nu bestämma sin vikt. Hur mycket vägde han ? Lösningsförslag: Gör ett horisontellt klipp genom linorna precis under de tre taljorna i taket. Spännkraften i linan kallar vi S. Vidare tar vi bort vågen och ersätter den med normalkraften N. Vi får då med vertikal kraftjämvikt ekv 5S gm mg N 5S N 0 0 Varav önskad vikt Solve m ekv, N 35 g, S 75, g 9.81 , m 73.2263 Exempel: På ett plan som lutar 15 mot horisontalplanet lyckas en man med hjälp av en lina och taljor hålla hela sitt ekipage i jämvikt. Vilken armkraft erfordras av mannen om hela ekipaget väger 100 kg ? Anta att hjulen är välsmorda Lösningsförslag: Om vi klipper av linorna mitt emellan taljorna och kallar spännkraften i linan för S får vi direkt med kraftjämvikt längs planet. ekv 3S m g Sin 15 1 0 3 gm 3S 0 2 2 Så med givet m har vi S ess Solve ekv, S 1 3 gm S 6 ess . m S 2 100, g 9.81 84.6338 Exempel: En smal homogen stång med massan 150 kg hänger i en lina och balanseras av två glatta väggar enligt figur. Sök kraften T i linan samt reaktionskrafterna mot väggarna vid A och B. HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 19 Lösningsförslag: Frilägg stången och identifiera normalkrafterna A och B , kraften i linan och tyngdkraften mg. Vi börjar med en typisk skolbokslösning med kraft– och momentjämvikt kring exempelvis A, där vi själva måste hålla reda på om krafterna och deras angreppspunkter ger ett positivt eller negativt bidrag i momentekvationen. Inte helt lätt i det allmänna fallet, speciellt om man studerar systemet under rörelse, brrr ekv NB NA T 0, mg 0, L T Cos Θ 3 L mg NB L Sin Θ Cos Θ 1 N A NB 0, T 0 A 2 gm 1 0, g L m cos Θ L T cos Θ 2 3 0 L sin Θ NB Nu är det bara att lösa ut de sökta krafterna NåT Solve ekv, T, NA , NB 1 N A 1 g m cot Θ , NB 6 g m cot Θ , T g m 6 och se att dimensionerna är ok, så nu är det bara att sätta in lite numeriska data. 12 NåT . m 150, g 9.81, Θ ArcCos , L 5 10 L 327., NB NA 327., T 1471.5 Nu till vår moderna datoranpassade metod som passar alla problemstorlekar och komplexitet. Placera origo i A med x-axeln åt höger och y-axeln rakt upp som vanligt och identifiera ortsvektorer för intressanta punkter. Notera att vi alltid räknar i 3D. Räkna inte i huvudet! Förtydliga, lita på linjär algebra och låt Mathematica göra jobbet! Lägg speciellt märke till att vi inte behöver ge oss ut i 0. vinkelträsket för att hitta kraftkomposanter eller fundera över vridningsriktning när vi formerar i 0, 0, 0 ; A B 12, T 5 10 10 A, B 5 122 , 0; 2 ; 5 G A, B 2 ; Krafter på stången. Vi söker komponenter och spännkraftens storlek i linan. Allt i förhållande till koordinatriktningar, som vanligt. A B T G NAx , 0, 0 ; NBx , 0, 0 ; T 0, 1, 0 ; m g 0, 1, 0 ; Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt för stången, storheterna. Solve A B T A A B G, B T T G G 0, i 0, i i i 0, och lösa ut de efterfrågade F 0 M r F 0 T, NAx , NBx 2gm T g m, NAx 9 2gm , NBx 9 och se att dimensionerna är ok, så nu är det bara att sätta in lite numeriska data och jämföra med resultatet ovan. Notera speciellt normalkrafterna. Vad är skillnaden i betraktelsesätt? NåT . m T 150, g 1471.5, NAx 9.81 327., NBx 327. 20 Mekanik-Statik och Mathematica Exempel: En rektangulär glasskiva med massan m hålls i horisontellt läge av tre personer enligt figur där koordinatsystem och diverse mått är angivna. a Sök ortsvektorerna A , B , C till personerna och G till tyngdpunkten. b Frilägg glasskivan med informationen att personerna endast lyfter i z–led. c Bestäm de tre lyftkrafternas z–komponenter ur jämviktssambanden 0 och 0 med Solve. i i i i Lösningsförslag: Det är bara att följa receptet. Först a) A B C G 360, 0, 0 ; 720, 480 720, 0 ; 720 1680, 480, 0 ; 1 720 1680, 480 720, 0 ; 2 sedan b) 0, 0, 0, 0, A B C G 0, FAz ; 0, FBz ; 0, FCz ; 0, mg ; slutligen c). Solve A B C A A B G, B C C G 0, G FAz , FBz , FCz 23 mg FAz 79 57 mg , FBz 158 55 mg , FCz 158 Exempel: Ett källarfönster med massan 50 kg är ställt på glänt med hjälp av en smal pinne mellan en punkt C på fönsterkarmen och ett av fönstrets nedre hörn D. Fönstrets öppningsvinkel är 50 . Av de två gångjärnen A och B är det bara A som kan bära axiallast. Bestäm lagerkrafterna i gångjärnen samt den axiella kraften i pinnen om a 0.8 m och b 1.2 m Lösningsförslag: Ortsvektor för intressanta punkter. A B C D 0, a, 0 ; 0, a, b ; b 0, 0, ; 4 a Sin 50 , a a Cos 50 ,0 ; Ortsvektor för källarfönstrets tyngdpunkt. a G a Sin 50 2 Krafter i gångjärnen. ,a b Cos 50 2 , ; 2 F 0 M r F 0 HH/ITN/BN HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 21 FAx , FAy , FAz ; FBx , FBy , 0 ; A B Kraft i pinnen mekas ihop (som vanligt) av storlek och riktning. FCD CD C, D ; Fönstrets tyngd. m g 0, G 1, 0 ; Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt för fönstret, storheterna. Solve A B A A B . a FAx G, CD B C 0.8, b 140.904, FAy CD G 1.2, m G 50, g 118.233, FAz i i 0, och lösa ut de efterfrågade i F 0 M r F 0 0 9.81 91.9687, FBx 0, i 46.9681, FBy 284.661, FCD 226.78 Exempel: En viktlös traverskran är uppriggad enligt figur. Sök som funktion av kranens läge x reaktionskraften vid den momentfria infästningen i origo samt i staglinorna. Bestäm även minsta värdet av Fo , Fk där Fo är beloppet av reaktionskraften i origo och Fk beloppet av lyftkraften. Lösningsförslag: Ortsvektor för intressanta punkter. 6, 0, 0 ; A 0, B 2, 3 ; Krafter i origo, linor och krok. Som vanligt är 0, 4, 0 ; D L x, 0, 0 ; vektor och T dess belopp. FOx , FOy , FOz ; O TAB AB 6 TAB 3, 0, 0 ; C 2 TAB 3 TAB , 7 7 , 7 CD A, B TCD C, D 3 TCD 4 TCD , , 0 5 5 k 0, 0, Fk ; Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt för traversen, storheterna FåT Solve O AB CD A AB C k, CD L k FOx , FOy , FOz , TAB , TCD FOx x Fk 2 , FOy x Fk 9 1 , FOz x 6 6 Fk , TAB Slutligen den efterfrågade kvoten O kvot Simplify . FåT, Fk k 0 0, Simplify 7 x Fk 18 , TCD 0, i F 0 M r F 0 First 5 x Fk 18 i i i 0, och lösa ut de efterfrågade 22 Mekanik-Statik och Mathematica 1 47 x2 9 2 27 x HH/ITN/BN 81 Att studera en modell under rörlig last, exempelvis bil som kör över en bro, är mycket vanligt för en ingenjör. Bilden av olika påkänningar som funktion av lastens läge brukar kallas influenslinjediagram. Här kommer ett sådant Plot kvot, x, 0, 6 , PlotRange 0, 3 , PlotStyle Magenta, AxesLabel "x m ", "FO Fk " FO Fk 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 x m 0 1 2 3 4 5 6 Minimum får vi i skolan genom att söka extremvärde på derivatan Solve D kvot, x 0 27 x 47 eller mera direkt om vi endast trånar efter det numeriska svaret FindMinimum kvot, x, 1 0.950923, x 0.574468 Exempel: En viktlös stång vikt i rät vinkel, tre linor och en last är uppriggade på ett skolmässigt sätt enligt figur. Sök påkänningarna då lasten glider på stången mellan A och B. Lösningsförslag: Ortsvektor för intressanta punkter. Låt x vara x-koordinat för lastens upphängningspunkt på stången AB. 0, 0, 2 ; A B 3 , 0, 2; 2 C 1, 1, 0 ; Kraft vid O och från lasten. FOx , FOy , FOz ; m g 0, 1, 0 ; O L Kraft i linor. Här är TAC AC TAC 6 BD 0, A, C TAC , kraftvektorn och T dess belopp. 2 , 3 6 TBD TBD 2 , B, D TBD 2 TAC D 3 ,1 2 1, 0; E 3 , 0, 0; 2 L x, 0, 2 ; HH/ITN/BN BE Mekanik-Statik och Mathematica TBE 23 B, E 0, 0, TBE Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt, FåT Solve O L AC L L A 0, i B 1 BD F 0 M r F 0 0, First BE 0, och lösa ut de efterfrågade storheterna i 10 3gm 2 g m x , FOy 3 1 TAC i BE , BD AC FOx , FOy , FOz , TAC , TBD , TBE FOx i 3 6 gm 2 0, FOz 2gmx 6 g m x, TBD 3 3gm , 9 2 3 2 2 g m x, TBE 7gmx 6gm 9 En liten pyntad bild piggar alltid upp 3 PlotEvaluate Last FåT . m 400, g 9.81 , x, 0, , PlotStyle "Rainbow", 2 PlotLegends First FåT, AxesLabel "x m ", "F, T N " F, T N FOx 10 000 FOy FOz 5000 TAC TBD 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 x m TBE Man kan göra en iakttagelse vad gäller en av linorna. Vilken, vadå och när? Gäller de uppställda jämviktsekvationerna för alla x? Om svaret på sista frågan är nej finns underlag till fördjupad studie Exempel: En viktlös vertikal mast är momentfritt lagrad i A. Med hjälp av två staglinor BD och BC bär den upp en last på 4 kN enligt figur. Bestäm inspänningskraften FA FAx , FAy , FAz vid A samt storlekarna T1 och T2 av spännkrafterna i staglinorna. Lösningsförslag: En liten bild över krafterna. Ortsvektor för intressanta punkter. 24 Mekanik-Statik och Mathematica 0, 0, 0 ; A 0, 0, 5 B 5 ; 5, 0, 0 ; C D 4, 4, 2 ; HH/ITN/BN F 0, 0, 5 ; Lasten och kraft vid A. 0, 4000, 0 ; FAx , FAy , FAz ; F A Kraft i linorna. Här är T1 1 T1 B, D T1 , 6 2 T2 T2 T1 , 3 6 2 kraftvektorn och T dess belopp. B, C 2 T2 , 0, 5 5 Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt, Solve F A F 0, FAy FAx 0, 2, 1 F i A A B 2000, FAz 1 8000, T1 2000 i i 0, och lösa ut de efterfrågade storheterna Fi 0 M r F 0 0 2 i 6 , T2 2000 5 Exempel: Ett märkligt torn är uppriggat enligt figur. Sök påkänningarna i origo, linan och ringen under det att läget för det senare glider i y–led. Lösningsförslag: Ortsvektor för intressanta punkter. Nu börjar vi inse att det är samma resa i nästan varje uppgift 0, y, 6 ; 3, 0, 6 ; 5 1, , 0; 2 5 , 0, 6; 2 B C D L Krafter vid A, ringen B och lasten. FAx , FAy , FAz ; FBx , 0, FBz ; 0, 2, 0 ; A B L Kraft i linan. Här är CD TCD 4 TCD 185 kraftvektorn och T dess belopp. C, D 5 , 37 TCD , 12 TCD 185 Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt, FåT Solve A B B B CD , L L i L C CD FAx , FAy , FAz , FBx , FBz , TCD 0, 0, i i F 0 M r F 0 First i 0, och lösa ut de efterfrågade storheterna HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica 30 FAx 2y 4y 15 , FAy 2y 55 15 6 6y , FAz 55 y 2y 15 10 , FBx 2y 6 4y 15 , FBz 25 55 y 2y 15 6 4y 55 y 2y 15 5 , TCD 185 2y 15 Vi pyntar på med lite belopp FåT Join FåT, FA A 30 FAx 2y 5 TCD 4y 15 , FAy 2y 185 2y 15 , FB 55 15 6 6y , FAz 36 6 y , FA . FåT B y2 2 y 55 15 55 y 2y 2 2 4y 15 55 2y 15 10 , FBx 2 2 2y 15 , FBz , 900 2y 15 2 , FB 36 4 y 55 2 y2 2 y 15 2 100 2y 15 2 och piggar upp oss med en bild Plot Evaluate Last FåT , y, 0, 10 , PlotRange 10, 10 , PlotStyle "Rainbow", PlotLegends First FåT, AxesLabel F, T kN 10 FAx FAy 5 FAz FBx y m 2 4 6 8 FBz 10 TCD 5 FA FB 10 Är det några komponenter som är lika stora? I så fall vilka då? Exempel: För att spräcka en timmerstock används ofta en kil som drivs i av en slägga, se figur. Antag att friktionskoefficienten mellan kil och trä är Μ 0.3. Hur stor kan då kilens toppvinkel Α vara för att den inte ska glida ut igen efter att den slagits in ett stycke ? Lösningsförslag: Frilägg kilen och identifiera normalkraft Noch friktionskraft F, Kraftjämvikt och sambandet F Α N Sin 2 Α Α N sin F cos 2 2 ekv ΜN vid fullt utbildad friktion ger direkt Α F Cos 2 0, F 0, F Μ N Μ N Nu är det bara att lösa ut Α Π SimplifySolveFlattenekv, 0 , Α, F , 0 Α 2 Α 2 tan 1 Μ,F Μ N Μ 1 "y m ", "F, T kN " 26 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN Exempel: En 4 m lång stege med vikten 15 kg är lutad mot en glatt vägg enligt figur. Friktionskoefficienten vid kontaktpunkten A mot marken är Μ 0.3. En målare som väger 80 kg börjar klättra uppför stegen. Sök avståndet s då stegen börjar glida. Lösningsförslag: Frilägg stegen och inför de krafter som verkar på den. Ställ upp kraftjämvikt och momentjämvikt kring punkten A. Dessutom har vi fullt utbildad friktion F A ΜN A då målaren börjar sin intressanta nedfart. ekv NB FA 0, NA mg Mg L m g Cos Θ 2 FA 0, M g s Cos Θ NB L Sin Θ 0, A Μ NA 1 NB F A 0, N A gm gM 0, L NB sin Θ g L m cos Θ g M s cos Θ 2 0, F A Μ NA Lös ut det eftersökta avståndet s. Normal- och friktionskrafter följer med på köpet. FNås Solve ekv, s, NA , FA , NB L 2 Μ tan Θ m M Simplify m , NA s 2M g m M , FA gΜ m M , NB gΜ m M Dimensioner ok, så nu är det bara att muppa in numeriska data. 1.5 FNås . Θ ArcCos , L 4, m 15, M 80, g 9.81, Μ 0.3 L s 3.14769, N A 931.95, F A 279.585, NB 279.585 Nu till vår moderna datoranpassade metod som passar alla problemstorlekar och komplexitet. Placera origo i hörnet mellan mark och hus med x-axeln åt höger och y-axeln rakt upp som vanligt och identifiera ortsvektorer för intressanta punkter. Notera att vi alltid räknar i 3D. Räkna inte i huvudet! Förtydliga, lita på linjär algebra och låt Mathematica göra jobbet! Lägg speciellt märke till att vi inte behöver ge oss ut i vinkelträsket för att hitta kraftkomposanter eller fundera över vridningsriktning när vi formerar 0. i A B 1.5, 0, 0 ; 0, 42 1.52 , 0; 4 GM Gm A A 2 s A, B A, B ; ; Krafter på stegen. Allt i förhållande till koordinatriktningar, som vanligt. A B GM Gm FA , NA , 0 ; NB , 0, 0 ; M g 0, 1, 0 ; m g 0, 1, 0 ; HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt för stegen, marken och lös ut de efterfrågade storheterna FNås Solve A B GM A A B Gm , B 9.88826 Μ i Μ NA , GM s, NA , FA , NB 9.88826 Μ m FA 0, i GM Gm i 0. Lägg till fullt utbildad friktion vid i F 0 M r F 0 0, Gm 27 Simplify 2. M s g 1. m , NA m 1. M , F A g Μ 1. m 1. M , NB gΜ 1. m 1. M Nu är det bara att sätta in lite numeriska data och jämföra med resultatet ovan, speciellt NB FNås . m s 80, M 15, g 931.95, F A 3.14769, N A 9.81, Μ 0.3 279.585, NB 279.585 Exempel: En 14 tum lång planka med massan 10 kg ligger över trottoarkanten enligt figur. Sök erforderlig kraft P så att den precis börjar glida. Vid varje kontaktpunkt är friktionskoefficienten Μ 0.4. Lösningsförslag: Frilägg plankan och inför de krafter som verkar på den. Ställ upp kraftjämvikt och momentjämvikt kring punkt B. Dessutom har vi fullt utbildad friktion F ΜN vid varje kontaktpunkt då glidning inträffar. Vi börjar med skolboksversionen, som typiskt nog är den svåraste. ekv NA Sin Θ FA Cos Θ FB NA Cos Θ FA Sin Θ L14 mg Cos Θ 2 NA LAB Μ N A , FB FA P mg 0, NB 0, B 0, Μ NB 1 F A cos Θ N A sin Θ FB P 0, F A sin Θ N A cos Θ NB gm 0, N A LAB 2 g L14 m cos Θ 0, F A Μ N A , FB Μ NB Lös ut P. Övriga normal- och friktionskrafter följer med på köpet. FNåP Solve ekv, P, NA , FA , NB , FB g m 2 Μ LAB P Μ2 1 L14 sin Θ cos Θ 2 LAB 1 NB gm L14 cos Θ Μ sin Θ 2 Simplify , NA g L14 m cos Θ 2 LAB cos Θ g Μ m 2 LAB 2 , FB LAB g Μ L14 m cos Θ , FA , 2 LAB L14 cos Θ Μ sin Θ cos Θ 2 LAB Dimensioner ok, så nu är det bara att muppa in numeriska data. FNåP . Θ P 6 ArcTan , L14 8 77.4755, N A 54.936, F A 14, LAB 21.9744, NB 82 62 , m 67.3358, FB 10, g 9.81, Μ 0.4 26.9343 Nu till vår moderna datoranpassade metod som passar alla problemstorlekar och komplexitet. Placera origo i nedre vänstra hörnet med x-axeln åt höger och y-axeln rakt upp som vanligt och identifiera ortsvektorer för intressanta punkter. Notera att vi alltid räknar i 3D. Räkna inte i huvudet! Förtydliga, lita på linjär algebra och låt Mathematica göra jobbet! Lägg speciellt märke till att vi inte 28 Mekanik-Statik och Mathematica HH/ITN/BN behöver ge oss ut i vinkelträsket för att hitta kraftkomposanter eller fundera över vridningsriktning när vi formerar B 0, 6, 0 ; 8, 0, 0 ; 14 G B A B, A 2 i 0. ; Krafter på plankan. Allt i förhållande till koordinatriktningar, som vanligt. FA A 4 FA 5 NA 0, 0, 1 A, B 3 NA 4 NA , 5 5 3 FA A, B , 0 5 FB P, NB , 0 ; m g 0, 1, 0 ; B G Nu är det bara att ställa upp kraft- och momentjämvikt för plankan, varje kontaktpunkt och lösa ut de efterfrågade storheterna FNåP Solve A B G, A A B B G, F A Μ N A , FB Simplify G P, NA , FA , NB , FB 1 14 g m g 42 Μ2 P 125 Μ 42 m, N A 125 Μ NB i i 0. Lägg till fullt utbildad friktion i F 0 M r F 0 3 , NB 25 i 0, 14 g Μ m , FA 25 0, i 3 g 14 Μ 125 23 m, FB g Μ 14 Μ 23 m 125 se att dimensionerna är ok och sätta in lite numeriska data och jämföra med resultatet ovan. FNåP . m P 10, g 9.81, Μ 54.936, F A 77.4755, N A 0.4 21.9744, NB 67.3358, FB 26.9343 Exempel: En trådrulle med massan 15 kg ligger an mot en vägg och ett golv. Båda är sträva med friktionskoefficienten Μ 0.2. Genom ett mushål i väggen önskar man nu mata ut tråden. Vilken är den minsta kraft T som måste anbringas för att få trådrullen att rotera ? Finns det något värde på Μ då tråden inte går att dra ut än hur mycket man drar ? Bestäm i så fall detta värde. Lösningsförslag: Låt kontaktpunkterna ha de uppenbara beteckningarna G och V. Inför normal- och friktionskrafter, verkande mot rörelsen det vill säga medurs. Ställ upp kraftjämvikt och momentjämvikt kring rullens centrum enligt skolboken ekv T N V FG 0, NG F V m g 0, FV R FG FG NV T rT 0, FV O 0 gm NG 0, R FG FV rT 0 När rullen precis börjar röra sig har vi fullt utbildad friktion, det vill säga F ΜN. Lägg till dessa ekvationer och lös ut den sökta minimala kraften T i snörstumpen. Normal- och friktionskrafter följer med på köpet. FNåT Solve Flatten g Μ2 m R T Μ2 r Μ gmr NV Μ2 r r Μ NG , F V g ΜmR Μ2 r ekv, FG R g ΜmR ΜR , NG Μ2 gmR Μ2 R ΜR r Μ2 r r ΜR g Μ2 m r gmr Μ2 R ΜR , FV Μ2 r Dimensioner ok, så nu är det bara att muppa in numeriska data. 1.8 FNåT . m 15, g 9.81, Μ 0.2, R 0.6 ,r 2 T 220.725, NG 183.938, NV 183.938, FG First , R Μ g ΜmR , FG , T, NG , NV , FG , FV gmr Μ2 r Μ NV 36.7875, FV 2 36.7875 r g Μ2 m R Μ2 R ΜR HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica Systemet blir så kallat självhämmande om T samtidigt mot en ändlig konstant. Sök detta Μ. mu för något Μ, jfr. "byrålådseffekt". Detta inträffar om nämnaren Solve Denominator T . FNåT 4 r2 R 4rR R2 Μ 4 r2 4rR 2 r 15, g R 0.280776 , Μ R 0.6 ,r 9.81, R 2 Μ R2 R 1.8 mu . m 0 och täljaren 0, Μ , Μ 2 r 29 2 1.78078 1.8 Numerator T . FNåT . mu 1 . m 15, g 0.6 ,r 9.81, R 2 2 26.7441 Ok, systemet självämmande då Μ 0.28. 1.8 PlotT . FNåT . m 15, g 9.81, Μ 0.6 ,r 0.4, R , Μ, 0, 1 , 2 PlotStyle Orange, AxesLabel "Μ", "T 2 N " T N 400 200 Μ 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 200 400 Exempel: Med hälp av en lätt kil som har vinkeln 5 vill man rubba en fyrkantig sten med massan 500 kg bort från en vägg. Vid kilens båda kontaktytor gäller ΜK 0.3 och mellan sten och mark ΜM 0.6. Bestäm den minsta kraft P som erfordras för att precis rubba stenen. Lösningsförslag: Låt kontaktpunkterna vara K(il)-V(ägg), K(il)-S(ten) och S(ten)-M(ark). Frilägg och inför normalkrafter och friktionskrafter verkande mot rörelsen. Ställ upp kraftjämvikt för kil och sten var för sig. ekv FKV NKV Cos 5 FKV Sin 5 NKV Sin 5 FKV Cos 5 NKS FSM 0, NSM FKS m g 0 sin 5 NKS NKV cos 5 NKS FKS 0, FKS 0, P 0, FKV cos 5 Kil Kil Sten Sten NKV sin 5 P 0, NKS FSM 0, FKS gm NSM 0 När stenen precis börjar röra sig har vi fullt utbildad friktion, det vill säga F ΜN, i alla kontaktytor. Lägg till dessa ekvationer och lös ut den sökta minimala kraften P. Normal- och friktionskrafter följer med på köpet. PFåN P NSM Solve Flatten ekv, FKV ΜK NKV , FKS P, NKV , NKS , NSM , FKV , FKS , FSM g m ΜM Μ2K sin 5 2 ΜK cos 5 ΜK NKS , FSM Simplify sin 5 ΜK sin 5 ΜK ΜM 1 cos 5 gm g m ΜK ΜM , FKV ΜK ΜM 1 ΜK sin 5 1 ΜK ΜM , NKV cos 5 ΜM NSM , First g m ΜM ΜK ΜM , FKS , NKS 1 ΜK sin 5 cos 5 g m ΜK ΜM g m ΜM , FSM 1 ΜK ΜM 1 ΜK ΜM g m ΜM 1 , ΜK ΜM Den symboliska lösningen är alltid utbildande på det problem man brottas med eftersom man ser hur olika designvariabler ingår i uttrycken. En specifik konfiguration är ganska själslös. 30 Mekanik-Statik och Mathematica PFåN . m P 500, g 2504.9, NKV 9.81, ΜK 3699.84, NKS 0.3, ΜM 3589.02, NSM HH/ITN/BN 0.6 5981.71, FKV 1109.95, FKS 1076.71, FSM 3589.02 Till slut piggar vi upp oss med några nivåkurvor eller isokurvor. Nivåkurvor är linjer där funktionen antar ett specifikt konstant värde. Jämför isobarer på en väderkarta! ContourPlot P . PFåN . m 500, g 9.81 , ΜK , 0, 1 , ΜM , 0, 1 , ColorFunction "Pastel", ContourLabels True, FrameLabel Automatic Exempel: Ett torn skall uppbära en staglast enligt figur. Sök momentet vid fundamentet. Vilket är kraven på placeringen av stagets fästpunkt i marken om resulterande momentet i tornets fundament inte får överstiga 100 kNm. Lösningsförslag: Vi löser det andra problemet först genom att låta staglinan vara placerad i xB , 0, zB . Det sökta momentet blir 10 0, 15, 0 O 150 zB x2B z2B 0,15,0 , xB ,0,zB 150 xB , 0, x2B 225 z2B 225 Speciellt har vi nu i figurens configuration . xB O 45 12, zB 2 , 0, 60 9 2 Nu över till designkravet MO O 150 x2B z2B x2B z2B 225 , Show Plot3D MO , xB , 15, 15 , zB , 15, 15 , Plot3D 100, xB , 15, 15 , zB , 15, 15 ContourPlot MO , xB , 15, 15 , zB , 15, 15 , ColorFunction "Pastel", PlotPoints 100, ContourLabels True, FrameLabel Automatic HH/ITN/BN Mekanik-Statik och Mathematica Nu ska M0 , 31 100. Om vi sneglar på figurerna ovan kan vi misstänka att sambandet är en cirkel. Studera därför M02 1002 TogetherMO 2 12 500 x2B x2B z2B z2B 0 180 0 225 Visst, staglinans infästningspunkt i marken måste ligga inom en radie av 180 m från tornet. 1002 0