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



Samankaltaiset tiedostot
HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Tehtävänä on määrittää fysikaalisen heilurin hitausmomentti heilahdusajan avulla.

KIERTOHEILURI JA HITAUSMOMENTTI

Työ 5: Putoamiskiihtyvyys

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

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

Luento 11: Periodinen liike

Luento 13: Periodinen liike

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

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

Luento 11: Periodinen liike

tutustua kiertoheilurin teoriaan ja toimintaan

tutustua kiertoheilurin teoriaan ja toimintaan harjoitella mittauspöytäkirjan itsenäistä tekemistä sekä työselostuksen laatimista

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

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

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

nopeammin. Havaitaan, että kussakin tapauksessa kuvaaja (t, ϕ)-koordinaatistossa on nouseva suora.

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luento 3: Käyräviivainen liike

Luento 3: Käyräviivainen liike

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

On määritettävä puupalikan ja lattian välinen liukukitkakerroin. Sekuntikello, metrimitta ja puupalikka (tai jääkiekko).

Luento 5: Käyräviivainen liike

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Luvun 10 laskuesimerkit

Jousen jaksonaikaan vaikuttavat tekijät

W el = W = 1 2 kx2 1

Luvun 10 laskuesimerkit

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

TTY FYS-1010 Fysiikan työt I Asser Lähdemäki, S, 3. vsk. MA 2.2 Kääntöheiluri Antti Vainionpää, S, 3. vsk.

Torsioheiluri IIT13S1. Selostuksen laatija: Eerik Kuoppala. Ryhmä B3: Eerik Kuoppala G9024 Petteri Viitanen G8473

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Heilurin heilahdusaikaan vaikuttavat tekijät

Luento 5: Käyräviivainen liike

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

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

Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

FYSA210/K2 KÄÄNTÖHEILURI

on hidastuvaa. Hidastuvuus eli negatiivinen kiihtyvyys saadaan laskevan suoran kulmakertoimesta, joka on siis

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Jakso 3: Dynamiikan perusteet Näiden tehtävien viimeinen palautus- tai näyttöpäivä on keskiviikko

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

ja J r ovat vektoreita ja että niiden tulee olla otettu saman pyörimisakselin suhteen. Massapisteen hitausmomentti on

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

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

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet (mat/fys/kem suunt.), luento 1 Kari Sormunen

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, luento Kari Sormunen

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

STATIIKKA. TF00BN89 5op

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Moottorisahan ketjun kytkentä

Kiihtyvyys a on paikan x toinen aikaderivaatta 2

8 Suhteellinen liike (Relative motion)

AUTON LIIKETEHTÄVIÄ: KESKIKIIHTYVYYS ak JA HETKELLINEN KIIHTYVYYS a(t) (tangenttitulkinta) sekä matka fysikaalisena pinta-alana (t,

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 10: Työ, energia ja teho

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

Harjoitustyö Hidastuva liike Biljardisimulaatio

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

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

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

5. KURSSI: Pyöriminen ja gravitaatio (FOTONI 5: PÄÄKOHDAT) PYÖRIMINEN

Mekaniikkan jatkokurssi

Miltä työn tekeminen tuntuu

Jani-Matti Hätinen Työn pvm assistentti Stefan Eriksson

Luvun 5 laskuesimerkit

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

BM30A0240, Fysiikka L osa 4. Värähtelyfysiikkaa. Luennot: Heikki Pitkänen

Tapa II: Piirretään voiman F vaikutussuora ja lasketaan momentti sen avulla. Kuva 3. d r. voiman F vaikutussuora

Transkriptio:

H E I L U R I T 1) Matemaattinen heiluri = painottoman langan päässä heilahteleva massapiste (ks. kuva1) kuva 1. - heilurin pituus l - tasapainoasema O - ääriasemat A ja B - heilahduskulma - heilahdusaika (jaksonaika) T Painovoima jaetaan kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan komponenttiin ja. (Ks. Physica 5, s. 44-45, Fotoni 5, s. 72-80). on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1). kuva 2. - paino(voima) - tangenttikomponentti - normaalikomponentti - langan jännitysvoima - kaaren pituus x, = heilurin pituus - + kuva 3. Heilurin liikeyhtälö on dynamiikan peruslain (NII) mukaan eli

Painovoiman tangentti- ja normaalikomponenteille pätee (ks. kuva 3): (t) (n) Heilurin liikeyhtälö komponenttimuodossa on siten (t) (1) (n) (2) Jos heilahduskulma on pieni, niin silloin pätee:. (ks. kuva 2). Otetaan huomioon negatiivinen suunta kuvassa 1, jolloin saadaan tangenttikomponentiksi, missä kerroin on vakio. Radan suuntainen tangenttikomponentti on siis likimain suoraan verrannollinen poikkeamaan tasapainoasemasta ja sille vastakkaissuuntainen, kun poikkeama tasapainoasemasta on pieni (pienillä heilahduskulmilla ). on siis muotoa F = -kx (k= jousivakio (N/m), x = poikkeama tasapainoasemasta (m)) eli se on likimain harmoninen voima. Heiluri on siis harmoninen värähtelijä, jonka jousivakio. Värähtelijän massa on m (kg), heilurin pituus l (m)ja putoamiskiihtyvyys g = 9,81 m/s 2. Matemaattisen heilurin liike on harmonista värähdysliikettä pienillä heilahduskulman arvoilla. Heilahdusaika saadaan harmonisen värähtelijän värähdysliikkeen jaksonajan suureyhtälöstä. (vrt. fysiikan YO:t K89-4, K92-8, S99-6, S07+13, K10-10).

Matemaattisen heilurin heilahdusaika (3) missä l = heilurin pituus (m) ja g = putoamiskiihtyvyys = 9,81 m/s 2. Lauseke pätee vain pienille heilahduskulmille ja noin yli metrin pituisille matemaattisille heilureille (l > 1m). (MAOL s. 125-126 (117-118)) Heilurin tangenttikiihtyvyys on liikeyhtälön (1) perusteella. Tangenttikiihtyvyys on suurin ääriasemissa A ja B (ks. kuva 2) ja nolla tasapainoasemassa O. Tangenttikiihtyvyydelle at pätee, missä on kulmakiihtyvyys (rad/s 2 ) ja l = heilurin pituus (m). Tangenttikiihtyvyyden yksikkö on. Heilurin kulmakiihtyvyys. Heiluri liikkuu pitkin ympyrän kaarta, jonka säde on l. Heilurin normaalikiihtyvyys on, missä v on heilurin ratanopeus (m/s) ja l = heilurin pituus (m). (Ks. Physica 5, s. 44-45, Fotoni 5, s. 72-80). Normaalikiihtyvyyden lausekkeesta normaalikomponentista (2) saadaan ja heilurin liikeyhtälön Matemaattisella heilurilla: ääriasemassa A ja B: - normaalikiihtyvyys, koska nopeus v = 0 - tangenttikiihtyvyys on suurimmillaan, koska on suurimmillaan tasapainoasemassa O: - normaalikiihtyvyys on suurimmillaan, koska nopeus v on suurimmillaan - tangenttikiihtyvyys = 0, koska on nolla.

Matemaattisen heilurin mekaaninen energia säilyy eli E kok = E p + E k = vakio. Valitaan tasapainoasema O potentiaalienergian nollatasoksi, jolloin energiaperiaatteen mukaan saadaan (ks. kuva 4): kuva 4. missä 1 on heilurin hetkellinen korkeus ja 1 on ääriaseman ja tasapainoaseman välinen korkeusero. Koska matemaattisen heilurin heilahdusaika riippuu vain heilurin pituudesta ja paikallisesta putoamiskiihtyvyydestä, voidaan heiluria käyttää ajanmittaukseen. Toisaalta heilurin pituus l ja heilahdusaika ovat helppoja määrittää tarkasti, voidaan heiluria käyttää putoamiskiihtyvyyden mittauksiin. Maaperän malmi- ja öljyesiintymät aiheuttavat tiheyden muuttumisen ympäröivään alueeseen verrattuna. Tiheyden muutokset vaikuttavat putoamiskiihtyvyyden g arvoon. Maaperän malmi- ja öljyesiintymiä voidaan näin kartoittaa matemaattisella heilurilla. Matemaattisen heilurin liike on vain likimain harmonista värähtelyliikettä. Edellä johdettu heilahdusajan lauseke pätee vain pienille heilahduskulmille. Kulma-amplitudin kasvaessa voidaan heilahdusaika laskea käyttäen seuraavaa sarjakehitelmää: 2 11 2 2 1 3 2 4 2

2) Kartioheiluri = heiluri, jossa langan varaan ripustettu kappale liikkuu vaakatasossa ympyräradalla (ks. kuva 5). Kuva 5. Kappaleeseen vaikuttavat voimat: - painovoima (alaspäin) -langan jännitysvoima (langan suuntainen) Oletus: liikevastusvoimat mitättömät Kappaleen liikeyhtälö on dynamiikan peruslain (NII) mukaan eli. Langan jännitysvoima T jaetaan kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan komponenttiin (ks. kuva 5): toinen on ratatasossa ja suuntautuu kohti rataympyrän keskipistettä (T n ) ja toinen on painovoiman G suuntainen ja siis ratatasoa vastaan kohtisuorassa (T z ). Komponenttien suuruudet ovat: Koska kappaleeseen ei vaikuta radan tangentin suuntaisia voimia, kappale on tasaisessa ympyräliikkeessä. Langan jännitysvoiman ratatason suuntainen komponentti antaa normaalikiihtyvyyden a n = v 2 /r. Valitaan positiiviset suunnat ylöspäin ja rataympyrän keskipistettä kohti. Liikeyhtälö on komponenttimuodossa

Langan pituuden, radan säteen ja poikkeutuskulman välillä on riippuvuus (ks. kuva 5):. Liikeyhtälön pystysuora komponentti on tasapainoehto, josta voidaan laskea langan jännitysvoima: = (*) Rataliikettä kuvaavasta komponentista voidaan ratkaista kappaleen ratanopeus: =. Kun tähän suureyhtälöön sijoitetaan langan jännitysvoiman T lauseke (*), niin ratanopeudeksi saadaan yhtälö: = = =. Jaetaan yhtälöt (n) ja (z) puolittain, jolloin saadaan. Koska ja, niin saadaan edelleen =. Lauseke saa nyt muodon =, josta seuraa, ja. ja Kartioheilurin kiertoliikkeen jaksonaika (4) l = heilurin langan pituus, ϕ = poikkeutuskulma (ks. kuva 5). (ks. Fotoni 5, s. 72-80, vrt. fysiikan YOt: S05-6, K95-8, K13-6).

3) Jäykkä heiluri eli fysikaalinen heiluri = jäykkä kappale, joka heilahtelee kiinteän akselinsa Z ympäri - kiinteä akseli ei kulje painopisteen O kautta Kuva 6. Kappaleeseen vaikuttavat voimat: - painovoima - akselin (tai ripustuslangan) tukivoima Jos akseli on vaakasuora ja kappale poikkeutetaan tasapainoasemasta, painovoima pyrkii palauttamaan sen tasapainoasemaan. Kappale alkaa heilahdella edestakaisin. Jos liikevastusvoimat ovat merkityksettömiä, heiluri on ideaalinen. Tällöin sen mekaaninen energia säilyy. Fysikaalisen heilurin heilahdusaika (5) missä m = heilurin massa (kg), r A = heilurin massakeskipisteen O etäisyys pyörähdysakselista Z (m), J A = hitausmomentti pyörähdysakselin Z suhteen (kgm 2 ), g = putoamiskiihtyvyys = 9,81 m/s 2. Steinerin säännön mukaan kappaleen hitausmomentti etäisyydellä r A olevan akselin Z suhteen on, missä J o = kappaleen hitausmomentti massakeskipisteen (painopisteen) O suhteen. Hitausmomentti J on pyörimishitauden mitta. Sen yksikkö on. (MAOL s. 125-126 (117-118))

4) Kiertoheiluri eli torsioheiluri = heiluri, jossa massakappale on ripustettu yläpäästään kiinnitettyyn kuituun, ja jonka värähtely perustuu kuidun kiertymiseen. Massakappaleen jaksollinen värähtely tapahtuu kohtisuoraan painovoimaa vastaan; myötäpäivään, vastapäivään, myötäpäivään, jne. Kuva 7. lanka Kierrettäessä heiluria pienen kulman θ verran kappaleeseen kohdistuu palauttava vääntömomentti (5) missä θ = kiertymiskulma (rad) D = palautuskerroin eli direktiomomentti (Nm/rad), D on palautuskerroin eli direktiomomentti (Nm/rad) on kuidulle (jouselle) ominainen suure, joka riippuu käytetystä materiaalista ja sen geometrisista mitoista. Torsioheilurin momentti eli palauttava vääntömomentti noudattaa Hooken lakia: Suureyhtälö muistuttaa harmonisen voiman lauseketta F = -kx. Harmoninen voima on suoraan verrannollinen poikkeamaan tasapainoasemasta ja suuntautuu tasapainoasemaa kohti. Torsioheilurin liike onkin harmonista pyörähdysliikettä. Torsioheilurin heilahdusajalle T voidaan johtaa lauseke yhtälöstä (5): (6) missä J = hitausmomentti pyörähdysakselin suhteen (kgm 2 ),

D = direktiomomentti eli palautuskerroin (Nm/rad). Torsiovakiolle D pätee yhtälö: 2 missä A = langan poikkipinta-ala, l = langan pituus, G = liukukerroin, joka on materiaalille ominainen vakio. (MAOL s. 125-126 (117-118)) Eräs heilurityyppi on Foucault'n heiluri. Se on hyvin pitkävartinen heiluri, joka on ripustettu siten, että se voi vapaasti kiertyä suhteessa kiinnityskappaleeseen. Kun heiluri saatetaan heiluriliikkeeseen, se jatkaa heilumista samassa tasossa. Koska maapallo pyörii, heilumistaso kiertyy suhteessa maan pintaan. Heilurilla voidaan osoittaa maapallon pyörimisliike akselinsa ympäri. ks. Jaksonajan ja heilahdusaikojen T johtaminen: http://www.kotiposti.net/ajnieminen/jah.pdf Lähteet: -Young and Freedman, University Physics, Pearson International edition, 12 th edition, Addison-Wesley, 2008, p. 419-446 -Alonso-Finn: Physics, Addison-Wesley, 1995, p.190-234 -Inkinen-Manninen-Tuohi: Insinöörifysiikka, Otava, 2. painos 2006, s. 225-244 -Eskola-Ketolainen-Stenman: Fotoni 5, Otava, 1. painos 2006, s.72-80.