ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Transkriptio

1 ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op) Yliopistonlehtori, tkt Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Syksy / 21

2 Luento 2: Kertausta ja johdantoa Suoraviivainen liike Jumppaa Harjoituksia ja oivalluksia 2 / 21

3 Luennon sisältö Suoraviivainen liike Jumppaa Harjoituksia ja oivalluksia 3 / 21

4 Käsitteet Mekaniikka (mechanics) Voiman, voiman, aineen ja liikkeen väliset yhteydet Kinematiikka (kinematics) Liikkeen kuvaus Dynamiikka (dynamics) Liikkeen ja sen syiden väliset suhteet Suureet Siirtymä, nopeus ja kiihtyvyys Seuraavaksi Käsitellään suoraviivaisen liikkeen kinematiikkaa ilman vektorisuureita Määritellään suureet siirtymä, nopeus ja kiihtyvyys 4 / 21

5 Hiukkasen suoraviivainen liike P 1 x 1 P 2 x 2 x Hiukkanen liikkuu pitkin suoraa t = t 1 : hiukkanen pisteessä P 1 (koordinaatti x 1 ); t = t 2 : pisteessä P 2, (koordinaatti x 2 ) Hiukkasen paikan muutos l. siirtymä (displacement) x = x 2 x 1 aikavälillä t = t 2 t 1 Siirtymää vastaa keskimääräinen nopeus (average velocity) aikavälillä t v ave = x 2 x 1 t 2 t 1 = x t x 2 x x v ave x 1 P 1 t 1 t P 2 x(t) t 2 t

6 Hetkellinen nopeus v ave riippuu alkupisteestä P 1 ja aikavälin t pituudesta Nopeus pisteessä P 1? Pienennetään t kohti nollaa v = lim t2 t 1 x 2 x 1 t 2 t 1 x = lim t 0 t = Erotusosamäärän raja-arvo eli derivaatta x(t + t) x(t) = lim t 0 t 6 / 21

7 Hetkellinen nopeus Hetkellinen nopeus (instantaneous velocity) v = dx dt tx-koordinaatistossa hetkellinen nopeus on liikekäyrän tangentin kulmakerroin x 1 x P 1 x(t) v1 = dx dt t=t1 Hetkellinen vauhti (speed) on hetkellisen nopeuden itseisarvo t 1 t 7 / 21

8 Keskimääräinen kiihtyvyys Hiukkanen kiihtyvässä liikkeessä jos sen nopeus muuttuu ajan funktiona Pisteessä P 1 ajan hetkellä t = t 1 hiukkasella nopeus v 1 ja pisteessä P 2 (t = t 2 ) nopeus v 2 Hiukkasen keskimääräinen kiihtyvyys (average acceleration) aikavälillä t = t 2 t 1 a ave = v t = v 2 v 1 t 2 t 1 v 2 v v a ave v 1 P 1 t 1 t P 2 v(t) t 2 t 8 / 21

9 Hetkellinen kiihtyvyys Hetkellinen kiihtyvyys (instantaneous acceleration) saadaan keskimääräisen kiihtyvyyden raja-arvosta analogisesti nopeuden kanssa v v(t) v a = lim t 0 t = dv dt tv-koordinaatistossa hetkellinen kiihtyvyys liikekäyrän tangentin kulmakerroin v 1 P 1 dv a = dt t 1 t 9 / 21

10 Kiihtyvyys paikan funktiona Nopeus siirtymän aikaderivaatta, joten x a = dv dt = d dt ( dx ) = d 2 x dt dt 2 tx-koordinaatistossa liikekäyrän kaarevuus kertoo kiihtyvyyden suuruuden ja suunnan t Kulmakerroin nopeuden 10 / 21

11 Liike tasaisella kiihtyvyydellä Kertausta lukiosta Tasaisen kiihtyvyyden (uniform acceleration) liike yksinkertainen, mutta usein esiintyvä tapaus Ajan hetkellä t = 0 kiihtyvyys vakio a = a 0 0 ja nopeus v 0 Nopeus saadaan keskimääräisen kiihtyvyyden avulla (tällä kertaa sama kuin derivaatta, miksi?) a 0 = v v 0 t t 0 = v(t) = v 0 + a ave t. Vastaavasti paikalle (vakionopeus v 0, alkupaikka x 0 ja t 0 = 0) v 0 = x x 0 t t 0 = x(t) = x 0 + v 0 t. 11 / 21

12 Liike tasaisella kiihtyvyydellä: paikka ajan funktiona Vakiokiihtyvyydestä seuraa v ave = v(t) + v(0) 2 = v 0 + a 0 t + v 0 2 = v a 0t. a a 0 v v ave at v 0 t t t t 12 / 21

13 Liike tasaisella kiihtyvyydellä: paikka ajan funktiona Vakiokiihtyvyydestä seuraa v ave = Yhdistetään tulokset v(t) + v(0) 2 x = x 0 + v av t = x 0 + = v 0 + a 0 t + v 0 2 = v a 0t. ( v ) 2 a 0t t = x 0 + v 0 t a 0t 2 13 / 21

14 Liike tasaisella kiihtyvyys: vapaa pudotus Vapaasti putoava kappale Maan pinnan läheisyydessä putoamiskiihtyvyys vakio g Putoamiskiihtyvyyden lukuarvo riippuu hieman sijainnista maapallolla Suomessa g = 9.81 m s 2 Jos ilmanvastus voidaan jättää huomiotta, vapaasti putoavaan kappaleeseen pätevät tasaisesti kiihtyvän liikkeen yhtälöt Kuva (c) Barcroft Media 14 / 21

15 Tärkeät termit/käsitteet Mekaniikka Kinematiikka vs. dynamiikka Hetkellinen vs. keskimääräinen suure Tasainen vs. muuttuva liike Derivaatta vs. erotusosamäärä 15 / 21

16 Luennon sisältö Suoraviivainen liike Jumppaa Harjoituksia ja oivalluksia 16 / 21

17 Tervetuloa luennolle Enemmän jumppaa ja harjoitusta luennolla 17 / 21

18 Jumppaa Tehtävänanto Olkoon E = 3ĵ + 4ˆk, F = 4î ĵ + 5ˆk ja G = aî 6ĵ + 2ˆk. Laske 1. E F 2. F E (E:n projektion F :lle pituus) 3. Millä a:n arvolla F ja G ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan? Ratkaisu 1. E F = ( 1) = E = = 5, E F = E FE = F E = E F E = F G = 4a = 0 = a = 4

19 Luennon sisältö Suoraviivainen liike Jumppaa Harjoituksia ja oivalluksia 19 / 21

20 Tervetuloa luennolle Harjoitellaan ja pohditaan liikkeeseen liittyviä asioita luennolla 20 / 21