Luvun 5 laskuesimerkit Huom: luvun 4 kohdalla luennolla ei ollut laskuesimerkkejä, vaan koko luvun 5 voi nähdä kokoelmana sovellusesimerkkejä edellisen luvun asioihin!
Esimerkki 5.1 Moottori roikkuu oheisen mukaisessa ripustuksessa kolmella kahleella, joita yhdistetään metallirenkaalla. Moottori roikkuu suoran kahleesta 1. Kahle 2 yhdistää renkaan vaakasuorasti seinään, kahle 3 taas kattoon siten, että katon ja kahleen välinen kulma on 60. a) Mitkä ovat kahleiden jännitykset? b) Mikä kahleista uhkaa katketa ensimmäisenä? Piirretäänpä parit vapaakappalekuvat.
Newtonin I lain mukaan tasapainotilanteessa ΣF x = 0, ΣF y = 0. Kahleen jännitys on sama sen jokaisessa pisteessä T 1 = m g. Tarkastellaan renkaassa vaikuttavia voimia: -valitaan koordinaatisto -jaetaan komponentteihin -otetaan suunnat huomioon etumerkeissä. ΣF x = T 3x T 2 = 0 T 3 cos 60 T 2 = 0 ΣF y = T 3y T 1 = 0 T 3 sin 60 mg = 0. Näistä saadaan T 3 = mg sin 60. T 2 = T 3 cos 60 = mg sin 60 60 = mg tan 60 Eli jännitykset ovat T 1 = mg, T 2 = 0.577mg ja T 3 = 1.155mg. Huom: T 3 > T 1, eli ripustus kasvattaa jännitystä yli painovoiman! Ei siis kovin ksua.
Esimerkki 5.2 Kolme 60 kg massaista pelleä laskee kelkalla kitkattomasti alas jäistä rinnettä, joka kaltevuuskulma α = 20. Mikä on kelkan kiihtyvyys ja minkä voiman rinne kohdistaa siihen? Normaalivoima on kohtisuorassa rinnettä vastaan! Tässä tapauksessa on käytännöllistä sijoittaa toinen akseli rinteen suuntaisesti.
m = 3 60 kg = 180 kg α = 20 a =?, N =?. Newton II: Σ F = m a = max^i ΣF x = w x = ma x mg sin a = ma x ΣF y = 0 N mg cos α = 0. Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan: a x = g sin α = 9.80 m/s 2 sin 20 = 3.4 m/s 2. Toisesta yhtälöstä saadaan: N = mg cos α = 180 kg 9.80 m/s 2 cos 20 = 1658 N 1700 N. Huomautus 1: kitkattoman rinteen tapauksessa kiihtyvyys ei riipu massasta. Huomautus 2: rinteeseen palataan vielä!
Esimerkki 5.3 Mystisessä aparaatissa kelkka (m 1 = 200 g) liukuu kitkatta ilmakiskon päällä siihen väkipyörän kautta vapaasti putoavan punnuksen (m 2 = 600 g vetämänä. Mikä on kelkan (ja punnuksen) kiihtyvyys ja lankaan kohdistuva jännitys?
m 1 = 200 g = 0.2 kg, m 2 = 600 g = 0.6 kg. a =?, T =?. Koska kappaleet on kytketty toisiinsa, ne liikkuvat yhdessä a 1 = a 2 = a, ( a 1 = a^i, a 2 = a^j). Köysi on massaton: T1 = T2 = T, ( T1 = T ^i, T2 = T ^j). Kelkka: ΣF x = m 1 a x T = m 1 a ΣF y = 0 N m 1 g = 0 N = m 1 g. Paino: ΣF y = m 2 a y T m 2 g = m 2 a T = m 2 (g a).
Edellisistä saamme m 1 a = m 2 (g a) a(m 1 + m 2 ) = m 2 g a = m 2 m 1 + m 2 g = 0.6 kg (0.6 + 0.2) kg 9.80 m/s2 = 7.35 m/s 2. Ja langan jännitykselle T = m 1 a = 0.200 kg 7.35 m/s 2 T = 1.47 N.
Esimerkki 5.4 Nainen (m = 50 kg) seisoo vaa'alla hississä, joka a) lähtee ylöspäin kiihtyvyydellä 2.0 m/s 2 b) lähtee alaspäin kiihtyvyydellä 2.0 m/s 2 Mitä vaaka näyttää (näennäinen paino)?
Koska liike tapahtuu vain pystysuunnassa, voidaan tarkastella tilannetta yksiulotteisena liikkeenä. Hissin ollessa paikallaan naisen paino w = mg = 50.0 kg 9.80 m/s 2 a) ylöspäin mentäessä: Newton II: Σ F = m a N w = ma N = ma + w = m(a + g) N = 50 kg(9.80 + 2.0) m/s 2 = 590 N. Henkilövaa'at ilmaisevat painot yleensä kiloissa, joten vaaka näyttää lukemaa m = N/g = 590 N/9.80 m/s 2 = 60.2 kg. b) alaspäin mentäessä saamme vastaavasti Newton II:sta N = m(g a) = 5050 kg(9.80 2.0) m/s 2 = 390 N. Ja vaaka näyttäisi m = N/g = 390 N/9.80 m/s 2 = 39.8 kg. Huom: jos hissi putoaisi vapaasti, niin a = g N = m(g a) = 0 N, ts. nainen olisi näennäisesti painoton.
Esimerkki 5.5 Palataan rinteeseen. Pellejen kelkasta on nyt ihmevoitelu hävinnyt ja kitka on ilmestynyt mukaan kuvioihin. Johda kiihtyvyyden yhtälö termien g, α, µ k ja w funktiona. Koska kelkan liike on kiihtyvää, käytämme taas Newton II:sta. Koska kelkan liike on kiihtyvää, painon x-komponentti on suurempi kuin kitkavoimaa osoittava vektori.
Ilmaistaan painoa yksinkertaisesti w = mg. Tällöin Newtonin II laki komponenttimuodossa sanoopi ΣF x = mg sin α + ( f k ) = ma x ja ΣF y = n + ( mg cos α) = 0. Toisin sanoen n = mg cos α ja f k = µ k n = µ k mg cos α. Kun tämä sijoitetaan voiman x-komponentin yhtälöön ja ratkaistaan a x : mg sin α + ( µ k mg cos α) = ma x a x = g(sin α µ k cos α). Taaskaan laskijoiden massa ei ole mukana kiihtyvyyden yhtälössä. Erikoistapauksia: 1) α = 90 rinne on vertikaalinen, sin α = 1, cos α = 0 ja a x = 90 pellet kelkkoineen ovat vapaassa pudotuksessa. 2) Jos sin α = µ k cos α, niin kiihtyvyys on nolla ja kelkka liukuu vakionopeudella. Tätä pienemmällä kulmalla µ k cos α on suurempi kuin sin α ja a x on negatiivinen. Jos kelkkaa tönäistään, sen liukuminen hidastuu ja lopulta pysähtyy.
Esimerkki 5.6 Auto ajaa kallistumattomaan kaarteeseen, jonka säde R = 230 m. Jos tien ja renkaiden välinen kitkakerroin on µ s = 0.87, niin mikä on maksiminopeus, jolla auto voi ajaa kaarteeseen (turvallisesti)?
Voima, joka estää autoa liukumasta ulos kaarteessa on kitkavoima f s. Newton II: ΣF x = ma = m v 2 Rajatapauksessa R mv 2 R = f s = µ s N = µ s mg v = µ s gr = [0.87 9.80 m/s 2 230 m] 1/2 v 44 m/s = 160 km/h.