04.02.
Transcription
04.02.
Kinematikk i to og tre dimensjoner 04.02.2015 Har du hentet boken men ikke betalt? FYS-MEK 1110 04.02.2015 1 Eksempel: En masse m = 1 kg er festet til en fjær med fjærkonstant k = 100 N/m og kan bevege seg på et bord uten friksjon og luftmotstand. Massen beveger seg med v0 = 1 m/s ut fra likevektsposisjon. kontaktkrefter: kraft F fra fjær til massen normalkraft N fra bordet til massen langtrekkende kraft: gravitasjonskraft G Normalkraft kompenserer gravitasjon: ingen bevegelse i y retning. kraft F fra fjær til massen: N G F kL vi definerer x = 0 i likevektsposisjon; hvis x > 0 trekker kraften i negativ x retning: N2L: Fx F kx ma a FYS-MEK 1110 04.02.2015 k x m F kx initialbetingelser: x(t0 ) 0 m v(t0 ) 1 m/s 2 Numerisk løsning med Euler-Cromer: massen svinger frem og tilbake vi leser fra diagrammet: xmax = 0.1 m vmax = 1 m/s ved x = 0 m Hva er perioden for svingning? FYS-MEK 1110 04.02.2015 3 F kx Analytisk: initialbetingelser: x(t0 ) 0 m v(t0 ) 1 m/s d 2x k a 2 x dt m x(t ) A sin( t ) B cos( t ) ansatz: v(t ) dx A cos( t ) B sin( t ) dt dv d 2 x a(t ) 2 2 A sin( t ) 2 B cos( t ) 2 x(t ) dt dt x(0) B 0 k 100 N/m 10 s 1 m 1 kg v(0) A v0 A frekvens: stiv fjær eller liten masse rask svingning x(t ) v0 sin(t ) v0 1 m/s 0.1 m 10 s -1 amplitude: høy initialhastighet stor amplitude v(t ) v0 cos(t ) FYS-MEK 1110 04.02.2015 4 Eksempel: bungee jump En person av masse m = 70 kg hopper med en strikk av lengde d = 50 m fra en bro av høyde h = 100 m. Vi kan beskrive strikken med en fjærkonstant k = 200 N/m og en viskøs koeffisient kv = 30 kg/s. For luftmotstanden kan vi bruke D = 0.22 kg/m. Treffer han bakken? Vi beskriver bevegelsen til hopperen. Vi måler posisjonen med x(t) oppover fra bakken. Initialbetingelser: x(t ) x 100 m 0 0 v(t0 ) v0 0 m/s t0 0 s Kontaktkrefter: kraft F fra strikken til hopperen luftmotstand FD langtrekkende krefter: gravitasjon G FYS-MEK 1110 04.02.2015 5 Kraftmodell: gravitasjon: G -mg iˆ luftmotstand: FD -Dv v iˆ Kraften fra strikken virker bare hvis den er stram. elongasjon: fjærkraft: L (h d ) x kL iˆ FS 0 L 0 L 0 viskøs kraft avhenger av endingsraten for L: k (h d x) iˆ kv v iˆ F 0 N2L: d d dx L (h d x) v dt dt dt x hd x hd F G FD F ( x, v) iˆ mg iˆ Dv v iˆ ma iˆ FYS-MEK 1110 04.02.2015 6 FYS-MEK 1110 04.02.2015 7 Når slutter bevegelsen ? FYS-MEK 1110 04.02.2015 8 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 I hvilket tilfelle er tauspenningen større? Snordraget i tau 1 er større enn i tau 2 Snordraget i tau 1 er like stort som i tau 2 Snordraget i tau 1 er mindre enn i tau 2 FYS-MEK 1110 04.02.2015 9 Newtons tredje lov: Enhver virkning har alltid og tilsvarende en motvirkning, eller den gjensidige påvirkning av to legemer på hverandre er alltid lik, og motsatt rettet. Ffra A på B Ffra B på A Newtons tredje lov forbinder krefter mellom legemer: Hvis jeg dytter på veggen, dytter veggen tilbake på meg med like stor kraft. essensiell for å beskrive systemer som består av flere legemer krefter kommer i par: kraft og motkraft kreftene i paret virker på forskjellige legemer FYS-MEK 1110 04.02.2015 10 Eksempel: En kloss ligger i ro på bakken. N fra J på K kloss Oppskrift: tegn alle legemer som separate systemer Wfra K på J finn alle krefter på alle objekter uttrykk kreftene som FA på B finn kraft – motkraft par sjekk: hver kraft har en unik motkraft Wfra J på K jorden N fra K på J FYS-MEK 1110 04.02.2015 11 Eksempel: Mann som går bevegelse fremover på grunn av friksjonskraft: mannen dytter jorden bakover jorden dytter mannen fremover FYS-MEK 1110 04.02.2015 12 kinematisk betingelse: biler er i kontakt Eksempel: xB x A L vB v A v aB a A a En bil dytter en lastebil med konstant kraft F. y x A NA FB på A WA F N3L: y mAa y 0 N A mA g x mA a x F FB på A FB på A FA på B FA på B WB N2L for B: N2L for A: F F NB B F F y mB a y 0 N B mB g x mB a x FA på B (mA mB )ax F FB på A FA på B F System oppfører seg som ett legeme med masse mA+mB Vi trenger ikke se på indre krefter, bare på krefter mellom systemet og omgivelsen. FYS-MEK 1110 04.02.2015 13 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 En kvinne trekker med F = 100 N i en 6-kilos eske som igjen er forbundet med en 4-kilos eske med en lett strikk. Begge strikkene forblir stramm og overflaten er friksjonsfritt. Sammenliknet med 6-kilos esken er 4-kilos esken: FYS-MEK 1110 utsatt for en større netto kraft. utsatt for samme netto kraft. utsatt for en mindre netto kraft. 04.02.2015 14 strikkene forblir stramm v1 v2 ; a1 a2 vi ser bare på horisontale krefter: m2 = 6 kg m1 = 4 kg T1 F = 100 N T1 x x tauspenning T1: T1 m1a F T1 m2 a F (m1 m2 )a (m1 m2 ) T1 T1 m1 m1 4 F F 40 N m1 m2 10 F T1 60 N FYS-MEK 1110 04.02.2015 15 Bevegelse i to og tre dimensjoner FYS-MEK 1110 04.02.2015 16 Bevegelsesdiagram i to dimensjoner her er bevegelsen todimensjonal vi kan beskrive posisjon med x(t ) ˆ ˆ r (t ) x(t )i y (t ) j y ( t ) med enhetsvektorer iˆ, ˆj iˆ iˆ ˆj ˆj 1 iˆ ˆj 0 posisjonsvektor i tre dimensjoner: x(t ) r (t ) x(t )iˆ y (t ) ˆj z (t )kˆ y (t ) z (t ) iˆ iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ 1 iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ iˆ 0 FYS-MEK 1110 04.02.2015 17 todimensjonal bevegelsesdiagram: vi analysere bevegelsen videre: hastighet? akselerasjon? vi kan se på x(t) og y(t) hver for seg x(t ) ˆ ˆ r (t ) x(t )i y (t ) j y ( t ) hastighet og akselerasjon i x og y retning: vx (t ) d d x(t ) , v y (t ) y(t ) dt dt vx (t ) ˆ ˆ v (t ) vx (t )i v y (t ) j v y (t ) d d ax (t ) vx (t ) , a y (t ) v y (t ) dt dt ax (t ) ˆ ˆ a (t ) a x (t )i a y (t ) j a y (t ) FYS-MEK 1110 04.02.2015 18 4s 3s 5s 6s 7s -v0 2s v1 - v0 0s v0 v1 1s v (ti 1 ) v (ti ) a (ti ) t FYS-MEK 1110 04.02.2015 19 hastighetsvektor: dr r (t t ) r (t ) v (t ) lim t 0 dt t d x(t ) iˆ y (t ) ˆj z (t ) kˆ dt dx ˆ dy ˆ dz ˆ i j k dt dt dt hastighet: vx (t ) iˆ v y (t ) ˆj vz (t ) kˆ akselerasjonsvektor: fart: v (t ) v(t ) v (t ) v (t t ) v (t ) dv a (t ) lim t 0 t dt d vx (t ) iˆ v y (t ) ˆj vz (t ) kˆ dt dvx ˆ dv y ˆ dvz ˆ i j k dt dt dt ax (t ) iˆ a y (t ) ˆj az (t ) kˆ FYS-MEK 1110 04.02.2015 20 Bevegningsligninger i tre dimensjoner La oss anta at vi har gitt a (t ) og v (t0 ) v0 FYS-MEK 1110 04.02.2015 akkurat de samme som i én dimensjon bare at vi må bruke vektorer og det er gyldig for hver komponent 21 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 En pendel svinger frem og tilbake med et maksimalutslag på 45° fra vertikalen. Hvilken pil angir retningen på akselerasjonen til pendelloddet i punktet Q (det laveste punktet i banen)? Pil #2 Pil #4 Enten pil #1 eller pil #3 avhengig av hvilken vei pendelen svinger 45° 45° #2 P R Q #1 #3 #4 FYS-MEK 1110 04.02.2015 22 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 En pendel svinger frem og tilbake med et maksimalutslag på 45° fra vertikalen. Hvilken pil angir retningen på akselerasjonen til pendelloddet i punktet P (punktet lengst til venstre i banen)? Pil #1 Pil #2 Pil #3 Pil #4 Pil #5 akselerasjonen i P er null 45° 45° #1 #2 P R Q #5 #3 #4 FYS-MEK 1110 04.02.2015 23 Skalarer og vektorer notasjon: skalar: størrelse, men ingen retning eksempel: masse, temperatur, lengde, fart, ... m, T , l , v vektor: størrelse og retning eksempel: posisjon, hastighet, akselerasjon, kraft, ... r , v , a, F i kartesisk koordinatsystem: vektorkomponenter: y Ay Ax ˆ ˆ ˆ A Ax i Ay j Az k Ay A z A Ax x Az A Ax2 Ay2 Az2 z Vi kommer å bruke også sfæriske og sylindriske koordinatsystemer senere. FYS-MEK 1110 04.02.2015 1 ˆi 0 0 0 ĵ 1 0 0 k̂ 0 1 24 Regne med vektorer: addisjon: a b b a assosiativ: c a c kommutativ: a b c b a b a b c a b c multiplikasjon med en skalar: i Matlab: b 2a a a b FYS-MEK 1110 04.02.2015 25 Skalarprodukt (=indreprodukt) a b a b cos a b c a c b c kommutativ: a b b a lineær: ax a iˆ, a y a ˆj, az a kˆ i komponenter: a b axbx a y by az bz i Matlab: a a a FYS-MEK 1110 04.02.2015 26 tidssekvenser av vektorer matriser v: 3d-vektor konstant over tiden (1x3) matrise n: antall tidsskritter skalar r: 3d-vektor evaluert ved n tider (nx3) matrise t: skalar evaluert ved n tider (nx1) matrise r(1,:) første tid (linje) i (nx3) matrise = 3d-vektor dt: tidsskritt skalar linje i (nx3) matrise = vektor = vektor + vektor * skalar linje i (nx1) matrise = skalar = skalar + skalar FYS-MEK 1110 04.02.2015 27 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 Du kaster en ball i en vinkel på 45 i forhold til horisontal. Vi ser bort fra luftmotstanden. Hvilket utsagn er riktig i høyeste punkt på banen? y x A. B. C. D. Fart og akselerasjon er null. Farten er på et minimum, men ikke null, og akselerasjonen er konstant. Farten er null, og akselerasjonen er konstant, men ikke null. Farten er på et minimum, men ikke null, og akselerasjonen øker. v v vx2 v y2 eneste kraft: gravitasjon fart: a g ˆj ingen kraft i x retning: vx v0, x 0 i høyeste punkt: FYS-MEK 1110 04.02.2015 vy 0 28