W el = W = 1 2 kx2 1

Samankaltaiset tiedostot
Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

Luento 9: Potentiaalienergia

Luento 11: Potentiaalienergia

Luento 9: Potentiaalienergia

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

dl = F k dl. dw = F dl = F cos. Kun voima vaikuttaa kaarevalla polulla P 1 P 2, polku voidaan jakaa infinitesimaalisen pieniin siirtymiin dl

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

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Fysiikan perusteet. Työ, energia ja energian säilyminen. Antti Haarto

Luento 10. Potentiaali jatkuu, voiman konservatiivisuus, dynamiikan ja energiaperiaatteen käyttö, reaalinen jousi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 10: Työ, energia ja teho

DYNAMIIKKA II, LUENTO 8 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Työ ja kineettinen energia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

2 Keskeisvoimakenttä. 2.1 Newtonin gravitaatiolaki

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

Luento 11: Periodinen liike

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Luento 13: Periodinen liike

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

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

TEHTÄVIEN RATKAISUT. b) 105-kiloisella puolustajalla on yhtä suuri liikemäärä, jos nopeus on kgm 712 p m 105 kg

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

- suurempi voima aiheuttaa nopeampaa liikettä kuin pieni voima - samanlainen voima aiheuttaa samalle kappaleelle aina samanlaisen vaikutuksen

origo III neljännes D

Dissipatiiviset voimat

= ( F dx F dy F dz).

Miltä työn tekeminen tuntuu

Luvun 5 laskuesimerkit

b) Määritä/Laske (ei tarvitse tehdä määritelmän kautta). (2p)

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

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

Luvun 5 laskuesimerkit

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Luento 11: Periodinen liike

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Värähtelevä jousisysteemi

Fysiikka 1. Dynamiikka. Voima tunnus = Liike ja sen muutosten selittäminen Physics. [F] = 1N (newton)

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Kemiallinen reaktio

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Jousen jousivoiman riippuvuus venymästä

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

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

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

MAA7 Kurssikoe Jussi Tyni Tee B-osion konseptiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! Laske huolellisesti!

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Korkeammat derivaatat

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Työ, mekaaninen energia, värähdysliike

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Transkriptio:

7.2 Elastinen potentiaalienergia Paitsi gravitaatioon, myös materiaalien deformaatioon (muodonmuutoksiin) liittyy systeemin rakenneosasten keskinäisiin paikkoihin liittyvää potentiaalienergiaa Elastinen materiaali palautuu deformaation jälkeen alkuperäiseen muotoonsa ja kokoonsa Tällaiseen materiaaliin, esim. jouseen, voidaan tehdä työtä, joka varastoituu potentiaalienergiaksi Elastinen potentiaalienergia voi muuttua myöhemmin kineettiseksi energiaksi, jota voi edelleen käyttää työn tekemiseen Kun deformaatio (esim. jousen poikkeama tasapainopituudesta) on pieni, sen kuvaamiseen voidaan käyttää ideaalisen jousen Hooken lakia: Venytyksen x ylläpitämiseksi kappaleeseen, esim. jouseen, pitää kohdistaa voima F = kx Aiemmasta: jouselle tehdään työ W, kun venymästä x 1 siirrytään venymään x 2 Newtonin III laki! jousi tekee päähänsä kiinnitettyyn kappaleeseen yhtäsuuren, mutta vastakkaissuuntaisen työn W el W = 1 2 kx2 2 W el = W = 1 2 kx2 1 1 2 kx2 1 1 2 kx2 2 Kun jousta venytetään x 1! x 2 ja x 2 > x 1, jousi tekee negatiivisen työn kappaleeseen [kuvan (b)-paneeli] Kun jousta puristetaan x 1! x 2 ja x 2 < x 1, jousi tekee positiivisen työn kappaleeseen [kuvan (c)-paneeli] Vastaavasti, kun annetaan valmiiksi puristetun jousen venyä x 1! x 2, jousi tekee taas positiivisen työn kappaleeseen [(d)-paneeli] Määritellään jousen voiman kappaleelle tekemä työ elastisen potentiaalienergian el muutoksen avulla, analogisesti gravitaatiopotentiaalienergian kanssa: W el = 1 1 2 kx2 1 2 kx2 2 = el (7.10) Tästä elastinen potentiaalienergia: el = 1 2 kx2 (7.9) Huom: gravitaatiopotentiaalienergian tapauksessa y-koordinaatin nollakohdan sai valita vapaasti Elastisen potentiaalienergian tapauksessa kohdan x = 0 pitää olla deformaation nollakohdassa 1

Kun vain (*) elastiset voimat tekevät työtä (oletus: massaton jousi): ( ) W tot = K 2 K 1 = W el = ( el,2 el,1 ) Mekaaninen energia säilyy, jos vain gravitaatio- ja/tai elastiset voimat vaikuttavat Jos myös muita voimia:, K 1 + el,1 = K 2 + el,2, E 1 = E 2 ) 1 2 mv2 1 + 1 2 kx2 1 = 1 2 mv2 2 + 1 2 kx2 2 (7.12) W tot = Tässä = grav + el on (kokonais)potentiaalienergia Esimerkki tilanteesta, jossa on sekä gravitationaalista, että elastista potentiaalienergiaa JA kineettistä energiaa: trampoliinilla hyppely W grav + W el +W {z } {z} other = K 2 K 1 = grav = el ) W other = K 2 + grav,2 + el,2 (K 1 + grav,1 + el,1 ) = (K + ) (7.14) ESIM 2

ESIM 3

7.3 Konservatiiviset ja ei-konservatiiviset voimat Vain gravitaatio- ja/tai elastisten voimien vaikuttaessa vastaava(t) potentiaalienergia(t) voi(vat) muuttua kineettiseksi energiaksi ja päinvastoin, ilman häviöitä Tällaisia voimia sanotaan konservatiivisiksi voimiksi (kolmas esimerkki: sähköiset voimat) Konservatiivisten voimien tekemä työ (a) voidaan ilmaista potentiaalienergiafunktion muutoksen avulla: W =-Δ = 1 2 (b) on palautuvaa (=reversiibeliä) ja häviötöntä (c) ei riipu siitä, mitä reittiä pitkin prosessi tapahtuu, vaan vain reitin alku- ja loppupisteistä (d) on nolla, jos prosessin alku- ja loppupiste on sama Mekaaninen energia säilyy, jos vain konservatiiviset voimat vaikuttavat Kitkavoimien tekemä työ ei ole reversiibeliä: kitka tekee aiemman esimerkin laatikkoon negatiivisen työn laatikon liukuessa sekä ylös- että alaspäin Kitkavoima ei ole konservatiivinen (toinen esimerkki: väliaineen vastus) Ei-konservatiivisiin voimiin ei liity potentiaalienergiaa Dissipatiivisten voimien (kuten kitka ja väliaineen vastus) tekemä työ pienentää systeemin mekaanista energiaa Dissipatiivisten voimien vaikutuksesta menetettyä mekaanista energiaa ei voi palauttaa ja käyttää työn tekemiseen Kemiallisen räjähteen räjähdys on esimerkki ei-konservatiivisista (irreversibeeleistä) voimista, jotka lisäävät räjähteen osien kineettistä (ja mekaanista) energiaa 4

ESIM ESIM 5

Kitka- tai muiden ei-konservatiivisten voimien tekemä työ lisää systeemin sisäenergiaa int Esimerkiksi toisiaan vastaan liukuvien pintojen lämpötila (ja sisäenergia) nousee negatiivisen kitkatyön ansiosta: W other = int ) W other = E = K + = int K + + int =0 (7.15) Saatiin energian säilymislaki: energia voi muuttaa muotoaan mutta sitä ei voi luoda eikä hävittää Voimassa kaikissa luonnonilmiöissä, yksi fysiikan suurista periaatteista Yhtälössä (7.15) ei ole mukana työn käsitettä eksplisiittisesti, se on mukana välillisesti potentiaalienergian (konservatiivisia voimia vastaten) ja sisäenergian int (ei-konservatiivisia voimia vastaten) muutoksissa Termodynamiikka on fysiikan ala, joka tutkii sisäenergian suhdetta lämpötilanmuutoksiin, lämpöenergiaan ja työhön 7.4 Voima ja potentiaalienergia Gravitaatio- ja jousivoimien tapauksessa päättelimme edellä ao. voimien tekemästä työstä vastaavan potentiaalienergian funktionaalisen muodon grav = mgy ; el = 1 2 kx2 Hyvin usein fysiikassa esiintyy tilanne, jossa potentiaalienergian funktionaalinen muoto = (x,y,z) on tiedossa, ja siitä pitäisi voida laskea systeemiin vaikuttava voima 1D-tilanteessa: W = F x(x) x = ) F x(x) = F x(x) = lim x!0 x = d(x) dx (Konservatiivinen) voima saadaan siis vastaavan potentiaalienergian negatiivisena derivaattana Voima pyrkii siirtämään systeemiä kohti matalampaa potentiaalienergiaa F x (x) = d 1 dx 2 kx2 = Esim. jousivoima elastisesta potentiaalienergiasta kx F y (y) = d dy (mgy) = Painovoima gravitaatiopotentiaalienergiasta mg x (7.16) (ESIM) 6

3D-tilanteessa: r! 0 ) F x = @ @x ; F y = @ @y ; F z = @ (7.17) @z Voiman karteesiset komponentit saadaan potentiaalienergiafunktion (x,y,z) osittaisderivaattoina kunkin koordinaatin suhteen Voima vektorinotaatiolla F = r = î @ (potentiaalienergian @x + ĵ @ @y + ˆk @ @z {z } gradientti) =r = î @ @x + ĵ @ @ + ˆk (7.18) @y @z Esim. painovoima gravitaatiopotentiaalienergiasta 2 F = r (mgy) = (ESIM) F x = 6 @ (mgy) 4î @x {z } =0 x ; F y = +ĵ @ (mgy) @y y ; F z = + z = mgy ) 3 @ (mgy) ˆk 7 @z 5 = mgĵ {z } =0 7.5 Energia(taso)kaaviot Piirretään potentiaalienergian (x) kuvaaja x:n funktiona, esim. jouseen kiinnitetty kappale ilmaradalla (kuvan mukaisesti) Kun kitka (tai muukaan ei-konservatiivinen voima) ei vaikuta, mekaaninen energia E = K + säilyy Piirretään vakiona pysyvä E vaakasuorana viivana kuvaan! energiakaavio E:n ja :n pystysuora erotus kuvaajassa = kineettinen energia K kullakin x:n arvolla Elastisen potentiaalienergian tapauksessa K on suurimmillaan kohdan x = 0 ympärillä K saa arvon 0 käännepisteissä x = ±A, joiden väliin jää (klassisen fysiikan mukaan) kappaleen mahdollinen liikkuma-alue Esimerkkisysteemi oskilloi käännepisteiden välillä 7

Kun F = 0 eli kohdissa, joissa d/dx = 0, systeemi on tasapainossa Kun pieni poikkeama tasapainoasemasta tuottaa palauttavan voiman, joka suuntautuu takaisin kohti tasapainoasemaa, kyseessä oleva tasapainoasema on stabiili Stabiili tasapainoasema esiintyy potentiaalienergian minimikohdassa (esim. kuvan kohdat x 1 ja x 3 ) Epästabiili tasapainoasema esiintyy potentiaalienergiafunktion maksimikohdissa (kuvassa x 2 ja x 4 ) Epästabiilissa tasapainossa pieni paikan poikkeama johtaa voimaan, joka suuntautuu tasapainoasemasta poispäin Kappaleeseen kohdistuva voima riippuu potentiaalifunktion derivaatasta kussakin pisteessä, ei potentiaalifunktion arvosta Vain potentiaalienergiafunktion eroilla eri paikkojen välillä on fysikaalista merkitystä Mielivaltaisen vakioarvon lisääminen potentiaalienergiafunktioon ei muuta fysiikan ilmiöitä millään tavalla 8

Kappaleen 7 yhteenveto W grav = grav = grav,1 grav,2 = mgy 1 mgy 2 1 W el = el = el,1 el,2 = 1 mv2 mv2 2 kx2 1 2 kx2 2 E 1 = E 2 K 1 + 1 = K 2 + 2 W other = E =(K 2 + 2 ) (K 1 + 1 ) K + + int =0 F = F x (x) = d(x) dx î @ @x + ĵ @ @ + ˆk @y @z 9