KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Samankaltaiset tiedostot
KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 47/2017

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti (esimerkki)

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 48/2017

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 46/2017

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 45/2017

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 44/2017

2 LIIKE, JÄNNITYS JA VENYMÄ

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

STATIIKKA. TF00BN89 5op

LAATTATEORIAA. Yleistä. Kuva 1.

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

MEI Kontinuumimekaniikka

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

DYNAMIIKKA II, LUENTO 6 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

KJR-C1001: Statiikka L3 Luento : Jäykän kappaleen tasapaino

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

Insinöörimatematiikka D

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

MEI Kontinuumimekaniikka

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

y 1 x l 1 1 Kuva 1: Momentti

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

DYNAMIIKKA II, LUENTO 4 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 352 Päivitetty Pyramidi 4 Luku Ensimmäinen julkaistu versio

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

Tarkastellaan tilannetta, jossa kappale B on levossa ennen törmäystä: v B1x = 0:

Luvun 5 laskuesimerkit

dx = L2 (x + 1) 2 dx x ln x + 1 = L 2 1 L + 1 L ( = 1 ((L + 1)ln(L + 1) L) L k + 1 xk+1 = 1 k + 2 xk+2 = 1 10k+1 k + 2 = 7.

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

Luento 3: Käyräviivainen liike

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Matematiikan tukikurssi

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta


5 REUNA-ARVOTEHTÄVÄ 5.1 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT SIIRTYMÄTEHTÄVÄ VIRTAUSTEHTÄVÄ LÄMMÖNJOHTUMISTEHTÄVÄ...

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C2002. Kontinuumimekaniikan perusteet. Viikko 44/1

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Taso 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste, suora

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

b 1. b m ) + ( 2b Ax) + (b b)

Materiaalien mekaniikka

y + 4y = 0 (1) λ = 0

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Luvun 5 laskuesimerkit

Kvanttifysiikan perusteet 2017

normaali- ja leikkaus jännitysten laskemiseen pisteessä Määritetään ne tasot, joista suurimmat normaali- ja leikkausjännitykset löytyvät

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 14: Yleisen lujuusopin elementtimenetelmän perusteita.

KJR-C2001 KIINTEÄN AINEEN MEKANIIKAN PERUSTEET, KEVÄT 2018

Transkriptio:

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti 13.12.2017 1. Jos r θ on paikkavektori, niin mitä ovat r θ, esitksiä r θ ja r θ? Kätä Karteesisen koordinaatiston T θ θ r < j < j zθ θ k k z ja / θ < j /. θ k / z 2. Määritä kappaleen nopeuden ja kiihtvden komponenttien Lagrangen ja Eulerin esitkset, kun liikkeen kuvaus on θ θ r < j, jossa θ k z cos( ϖt) sin( ϖt) 0 X sin( ϖt) cos( ϖt) 0 <, z 0 0 1 kt Z, ϖ ja k ovat vakioita ja t 0. 3. Kuvan esittämä vesiskootteri etenee vakiovauhdilla v. Veden (tihes θ ) sisäänotto tapahtuu pohjassa olevan vaakasuoran aukon kautta. Sisääntulevan veden vauhti on likimain 0. Pumppu poistaa veden vaakasuuntaisena suihkuna, jonka poikkipinta on A ja tilavuusvirta Q 3 [ Q ] < m /s. Johda moottorin töntövoiman lauseke. Sovella liikemäärän taseen periaatetta ja esitä selvästi kappale, jota tarkastelet läheisillä ajanhetkillä t ja t Χ t. L 4. Kuvan sauvat on kiinnitett nivelillä tukiin ja toisiinsa ja rakennetta kuormittaa pstsuora voima F. Vaakasauvan 2 poikkipinta-ala on A, sauvan 1 poikkipinta-ala 2A ja materiaalin kimmokerroin E. Laske sauvojen aksiaalijännitkset, aksiaalivenmät ja voiman vaikutuspisteen siirtmä. 2 F X 1 X 45 α 5. Oheisen kuvan kahden vaakasuoran tason välinen etäiss on h. lemmän tason nopeus on vakio U ja alempi taso on levossa. Tasojen välissä on nestettä, jonka tihes viskositeetti θ ja λ ovat vakioita. Mittaus lemmän levn kohdalla antaa paineen arvoksi p h. Määritä nesteen nopeus v ( ) ja paine p ( ) lähtien Navier-Stokes htälöiden Karteesisen koordinaatiston komponenttiesitksistä. p h U h g

Jos r θ on paikkavektori, niin mitä ovat esitksiä r θ, r θ ja r θ? Kätä Karteesisen koordinaatiston T θ θ r < j < j zθ θ k k z ja / θ < j /. θ k / z Suunnattu derivaatta on differentiaalioperaattori joka vaikuttaa kaikkeen termissä sen sijainnin oikealla puolella. Muutoin operaattoria käsitellään kuten vektoria tensorilausekkeessa. Karteesisen θ θ θ θ θθθ koordinaatiston kantavektorit ovat vakioita eli a/ < 0, a/ < 0, a/ z < 0 a { i, jk, }. Aukikirjoitettuina T θ θ θ θ θ r < j < j < i j zk, zθ θ k k z / θ θ θ θ < j / < i j k. θ z k / z 2p Paikkavektorin gradientti on toisen kertaluvun tensori. θ θ θ θ θ θ θ Sijoitetaan r < ( i j k )( i j zk ) z θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ Kirjoitetaan auki r < i i i j i zk j i j j j zk θ k θ θ i k θ θ j k θ zk z z z θ θθ θθ θθ θθ θθ θθ σ Lasketaan termit r < ii 0 0 0 jj 0 0 0 kk < ii jj kk < I. 2p Paikkavektorin divergenssi on skalaari. θ θ θ θ θ θ θ Sijoitetaan r < ( i j k ) ( i j zk ) z θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ Kirjoitetaan auki r < i i i j i zk j i j j j zk θ θ θ θ θ θ k i k j k zk z z z θ θ θ θ θ θ θ Lasketaan termit r < i i 0 0 0 j j 0 0 0 k k < 1 1 1< 3.

2p Paikkavektorin pörre on vektori. θ θ θ θ θ θ θ Sijoitetaan r < ( i j k ) ( i j zk ) z θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ Kirjoitetaan auki r < i i i j i zk j i j j j zk θ θ θ θ θ θ k i k j k zk z z z θ θ θ θ θ θ θ Lasketaan termit r < i i 0 0 0 j j 0 0 0 k k < 0.

Määritä kappaleen nopeuden ja kiihtvden komponenttien Lagrangen ja Eulerin esitkset, kun liikkeen kuvaus on θ θ r < j, jossa θ k z cos( ϖt) sin( ϖt) 0 X sin( ϖt) cos( ϖt) 0 <, z 0 0 1 kt Z, ϖ ja k ovat vakioita ja t 0. Kappaleen liikkeen kuvaus on kappaleen partikkelien ratojen parametriesits (aika on käräparametri). Kappalekoordinaatit ( XZ,, ) identifioivat partikkelin. Tässä kappaleen liikkeen kuvaus on (aine ja tilakoordinaatistot htvät alkutilanteessa t < 0 ) θ θ r < j, jossa θ k z cos( ϖt) sin( ϖt) 0 X sin( ϖt) cos( ϖt) 0 <,. z 0 0 1 kt Z θ 2p Nopeuden ja ja kiihtvden komponentit saadaan kappaleen paikkavektorin r < i θ j θ zk θ osittaisderivaattoina ajan suhteen. Kiinteän koordinaatiston kantavektorit ovat vakioita, joten derivaatta puree vain komponentteihin, ϖsin( ϖt) ϖcos( ϖt) 0 X θ v < j j ϖcos( ϖt) ϖsin( ϖt) 0 <,,, t θ k zθ k 0 0 k Z 2 2 v cos( ) sin( ) 0, ϖ ϖt, ϖ ϖt X θ 2 2 a < j v < j ϖ sin( ϖt), ϖ cos( ϖt) 0. t k v 0 0 0 Z z k 1p Nopeuden ja kiihtvden komponentit Eulerin esitksessä saadaan laskemalla ensiksi komponentit Lagrange esitksessä ja eliminoimalla tämän jälkeen ainekoordinaatit kappaleen liikkeen käänteiskuvauksen avulla. Tarvitaan siis käänteiskuvaus cosϖt sinϖt 0 X sinϖt cosϖt 0 <, z 0 0 1 kt Z X cos( ϖt), sin( ϖt) 0 sin( ϖt) cos( ϖt) 0 <. Z 0 0 1/(1 kt) z 3p Nopeuden ja kiihtvden Eulerin esitkset, ϖsin( ϖt) ϖcos( ϖt) 0 cosϖt, sin ϖt 0 θ v < j ϖcos( ϖt) ϖsin( ϖt) 0 sinϖt cosϖt 0,, k 0 0 k 0 0 1/(1 kt) z

0 ϖ 0 θ v < j ϖ 0 0,. k 0 0 k /(1 kt) z 2 2, ϖ cos( ϖt), ϖ sin( ϖt) 0 cos( ϖt), sin( ϖt) 0 θ 2 2 a < j ϖ sin( ϖt), ϖ cos( ϖt) 0 sin( ϖt) cos( ϖt) 0 k 0 0 0 0 0 1/(1 kt) z 2, ϖ 0 0 θ 2 a < j 0, ϖ 0. k 0 0 0 z Eulerin esitksen kiihtvs saadaan mös nopeuden Eulerin esitksen ainederivaattana,

Kuvan esittämä vesiskootteri etenee vakiovauhdilla v. Veden (tihes θ ) sisäänotto tapahtuu pohjassa olevan vaakasuoran aukon kautta, joten sisääntulevan veden vauhti on likimain 0. Pumppu poistaa veden vaakasuuntaisena suihkuna, jonka poikkipinta on A ja tilavuusvirta Q 3 [ Q ] < m /s. Määritä moottorin töntövoima. Sovella liikemäärän taseen periaatetta ja esitä selvästi kappale, jota tarkastelet läheisillä hetkillä t ja t Χt. 3p Poistuvan suihkun suhteellinen vauhti u < Q/ A. Olkoon nesteeseen kohdistuva vaakasuuntainen voima F. Tarkastellaan nestekappaletta, joka koostuu moottorin sisältämästä nesteestä ja aikavälillä Χ t moottorin imemästä nesteestä. F m Χ m< θqχt Dm=r QDt v v 0 v-u m v 3p Nestekappaleen liikemäärän muutos on htä suuri kuin ulkoisten voimien summa θqχ t( v, u) mv, mv < FΧt F < θq( v, u). Nesteeseen kohdistuu siis voima F. Nesteen moottoriin kohdistama voima on htä suuri mutta vastakkaismerkkinen eli skootterin kokema töntövoima F < θq( u, v), jossa u < Q/ A.

Kuvan sauvat on kiinnitett nivelillä tukiin ja toisiinsa ja rakennetta kuormittaa pstsuora voima F. Vaakasauvan 2 poikkipinta-ala on A, sauvan 1 poikkipinta-ala 2A ja materiaalin kimmokerroin E. Laske sauvojen aksiaalijännitkset, aksiaalivenmät ja voiman vaikutuspisteen siirtmä. L 2 F X 1 X 45 α 1p Sauvarakenteen analsissä sauvoja tarkastellaan erillisinä kappaleina, joilla kullakin on oma kappalekoordinaatistonsa. Sauvat vuorovaikuttavat nivelten kautta ja kantavat vain akselinsa suuntaisia voimia. Ratkaistaan aluksi sauvavoimat statiikan keinoja kättäen. Tässä riittää tarkastella voiman F kuormittaman nivelen voimatasapainoa. Vapaakappalekuvion avulla saadaan tasapainohtälöt kiinteän koordinaatiston akselien suunnille 1 F <, N1, N2 < 0 2 1 F <, N1, F < 0 2 N 1 <, 2F ja N2 < F. N 2 N 1 F Voiman ja vastavoiman lain mukaan sauvoihin 1 ja 2 vaikuttaa htä suuret mutta vastakkaissuuntaiset voimat (siis sauvasta ulospäin). 1p Aksiaalijännits on aksiaalivoima jaettuna sauvan poikkipinnan alalla. Kappalekoordinaatiston nollasta eroava komponentti ρ XX Sauva 1: ρ N1 F XX < 2A <, A Sauva 2: ρ N2 F XX < A < A 1p Sauvan jännits on ksiaksiaalinen, jolloin leistett Hooken laki ksinkertaistuu muotoon ρ < Eδ. Sauvojen venmät aksiaalisuunnissa Sauva 1: Sauva 2: ρ XX F δ XX < <,, E ρ XX F δ XX < <. E 3p Venmä on vakio kummankin sauvan alueella, jolloin sauvan pituuden muutos on venmä kerrottuna alkuperäisellä pituudella. Sauva 1: Χ L< 2LδXX <, 2,

Sauva 2: Χ L< LδXX <. Saadut arvot ovat nivelen siirtmiä sauvoihin kiinnitettjen kappalekoordinaatistojen X, akseleiden θ θ θ suuntiin. Nivelen siirtmän u < ui uj komponentit kiinteän koordinaatiston komponentit u ja u saadaan ehdoista, että siirtmät sauvojen suuntiin vastaavat edellä laskettuja arvoja Sauva 1: θ θ θ 1 θ θ θ θ 1 θ θ u I < u ( i j) < ( ui uj) ( i j) <, 2, 2 2 θ θ θ θ θ θ θ Sauva 2: u I < u i < ( u i u j) i <, joista ratkaisemalla u < ja u <, 3.

Oheisen kuvan kahden vaakasuoran tason välinen etäiss on h. lemmän tason nopeus on vakio U ja alempi taso on levossa. Tasojen välissä on nestettä, jonka tihes θ ja viskositeetti λ ovat vakioita. Mittaus lemmän levn kohdalla antaa paineen arvoksi p. Määritä nesteen nopeus v ( ) ja h paine p ( ) lähtien Navier-Stokes htälöiden Karteesisen koordinaatiston komponenttiesitksistä. p h U h g Tasovirtauksen komponenttimuodot saadaan tensorimuodoista esittämällä tensorit halutun koordinaatiston kannassa. Karteesisen koordinaatiston tasotapauksessa päädtään htälöihin v v < 0, 2 2 v v p v v <, λ 2 2 θ( v v ) ( ) f, 2 2 v v p v v <, λ 2 2 θ( v v ) ( ) f. 3p Tehtävässä f <, θ g ja oletetaan ratkaisu muotoa p, ( ) v ( ) ja v < 0. Tällöin jatkuvuushtälö toteutuu identtisesti, ja liikemäärän taseista saadaan 2 v 0 < λ 2 p ja 0 <,, θg. 3p Tädennetään differentiaalihtälöt reuna-arvotehtäväksi. Virtausnopeus tasojen kohdilla on sama kuin tasojen nopeus. Paine tunnetaan lemmän tason kohdalla 2 d v 2 d U < 0 ]0, h[, v (0) < 0 ja v( h) < U v( ) <. h dp θg < 0 ]0, h[, p( h) < ph p( ) < θg( h, ) ph. d