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

Samankaltaiset tiedostot
W el = W = 1 2 kx2 1

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

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

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 9: Potentiaalienergia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Luento 11: Potentiaalienergia

Luento 10: Työ, energia ja teho

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

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

Luento 9: Potentiaalienergia

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

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

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

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

Luento 11: Periodinen liike

Massakeskipiste Kosketusvoimat

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

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

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

Luento 13: Periodinen liike

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

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Miltä työn tekeminen tuntuu

HARJOITUS 4 1. (E 5.29):

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

DYNAMIIKKA II, LUENTO 8 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

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

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 11: Periodinen liike

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Työ ja kineettinen energia

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

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

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

v = Δs 12,5 km 5,0 km Δt 1,0 h 0,2 h 0,8 h = 9,375 km h 9 km h kaava 1p, matkanmuutos 1p, ajanmuutos 1p, sijoitus 1p, vastaus ja tarkkuus 1p

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Työ ja energia. Haarto & Karhunen.

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

DEE Sähkötekniikan perusteet

Voimat mekanismeissa. Kari Tammi, Tommi Lintilä (Janne Ojalan kalvoista)

Voiman momentti M. Liikemäärä, momentti, painopiste. Momentin määritelmä. Laajennettu tasapainon käsite. Osa 4

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

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

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Luento 8: Liikemäärä ja impulssi. Liikemäärä ja impulssi Liikemäärän säilyminen Massakeskipiste Muuttuva massa Harjoituksia ja esimerkkejä

Luvun 10 laskuesimerkit

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Mekaniikkan jatkokurssi

Pietarsaaren lukio Vesa Maanselkä

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Luvun 5 laskuesimerkit

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2 Keskeisvoimakenttä. 2.1 Newtonin gravitaatiolaki

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Luento 8: Liikemäärä ja impulssi

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

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

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley.

Luvun 5 laskuesimerkit

Fysiikan valintakoe klo 9-12

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

yleisessä muodossa x y ax by c 0. 6p

Lataa ilmaiseksi mafyvalmennus.fi/mafynetti. Valmistaudu pitkän- tai lyhyen matematiikan kirjoituksiin ilmaiseksi Mafynetti-ohjelmalla!

Muunnokset ja mittayksiköt

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

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

kertausta Esimerkki I

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Transkriptio:

Luku 8 Mekaanisen energian säilyminen Konservatiiviset ja eikonservatiiviset voimat Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia Mekaanisen energian säilyminen Teho

Tavoitteet: Erottaa konservatiivinen ja ei-konservatiivinen voima Kuvailla potentiaalienergian käsitettä ja määrittää potentiaalienergia Tunnistaa tilanteita, jossa mekaanisen energian säilymislaki on voimassa ja käyttää mekaanisen energian säilymistä tehtävien ratkaisemisessa Kuvailla voiman ja potentiaalienergian välistä yhteyttä Esitiedot Selkeä kuva voimista Työn käsite Kineettisen energian käsite

8-1 Konservatiiviset ja ei-konservatiiviset voimat Kun voiman tekemä työ kappaleen liikkuessa mielivaltaisen suljetun polun ympäri on nolla, voima on konservatiivinen # F d l = 0 C Kaikki loput voimat ovat ei-konservatiivisia Konservatiivisen voiman tekemä työ ei riipu kuljetusta reitistä, vaan ainoastaan reitin alku- ja loppupisteestä. W = F d l 2 1

Esimerkki: Tiiliskiven nostaminen Nostetaan tiiliskivi lattialta pöydälle tasaisella nopeudella. Määritä jokaisen tiiliskiveen kohdistuvan voiman tekemä työ. Painovoima F G = m g y 2 W Tukivoima F G = F G d y 2 l = mgĵ dlĵ = mg y 2 y 1 ext y 1 y 1 ( ) Newtonin II lain perusteella F G + F ext = 0 F ext = m g Tukivoiman tekemä työ W ext = y 2 F ext d l = mgĵ dlĵ y 1 y 2 y 1 = mgh ĵ d l

8-2 Potentiaalienergia Tiiliskiven tapauksessa painovoiman tekemä työ W G = mgh Painovoiman kyky tehdä työtä kiveen on kasvanut määrällä mgh. Tämä on kiven potentiaalienergian muutos painovoimakentässä. Konservatiiviseen voimaan voidaan liittää potentiaalienergia. Potentiaalienergian muutos välillä 1->2 on ΔU = U 2 U 1 = F d l = W Potentiaalienergian muutokset ovat olennaisia ei sen absoluuttiarvo. Nollatason voi valita vapaasti. U G = mgh Ei-konservatiivisille voimille ei voi määritellä potentiaalienergiaa. 2 1 ĵ d l

Jousta puristava voima Jousivoima F S = kxî Jousen potentiaalienergia F p = kxî Jousivoiman tekemä työ puristettaessa W S = F S d l = kxî dxî 2 1 x 0 = kx dx x 0 Potentiaalienergian muutos puristettaessa ΔU = W S Elastisen kentän potentiaalienergia = 1 2 kx2 U ĵ d l U el ( x) = 1 2 kx2 Puristus Venytys

Korkeus tai Potentiaalienergia, U Potentiaalienergiasta voimaan Pohjalla ja huipuilla ei ole liikkeen suuntaista voimaa Paikka, x Jyrkässä kohdassa on suuri kiihtyvyys, siis suuri voima Kun käyrä nousee oikealle, voima osoittaa vasemmalle

Voima ja potentiaalienergia Potentiaalienergia U ( x) = F( x)dx + C Tästä voidaan ratkaista voima työn avulla pienen siirtymän rajalla yksiulotteisessa tapauksessa F( x) = d dx U ( x ) ja yleisesti F x, y,z ( ) = î F = U x U ĵ y U ˆk z U = î x ĵ y ˆk z

8-3 Mekaanisen energian säilyminen Työperiaate W net = ΔK Yleisesti työ W net = W c + W nc konservatiivisten voimien tekemä työ W c ei-konservatiivisten voimien tekemä työ W nc Koska W c = - U => ΔK + ΔU = W nc Määritellään mekaaninen energia liike- ja potentiaalienergian summaksi => Jos systeemissä on vain konservatiivisia voimia, systeemin mekaaninen energia säilyy. K +U = vakio

Esimerkki 8.4 Vuoristoradan vaunu lähtee paikaltaan radan korkeimmalta kohdalta (y= 40 m). a) Määritä sen vauhti radan alimmassa pisteessä. b) Määritä kuinka korkealla vaunun vauhti on puolet maksimivauhdista. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

Esimerkki 8.6 Määritä seiväshyppääjän (m= 70 kg) tarvitsema vauhti, jotta hän voi ylittää 5m korkeudella olevan riman. Oleta, että hyppääjän massakeskipiste on 0,90 m korkeudella maasta hänen juostessaan. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

Esimerkki 8.8 Pallo (m= 2,6 kg) putoaa hyllyltä matkan h = 55 cm pystysuorassa olevan lepopituudessaan olevan jousen päälle. Jousi puristuuu matkan Y = 15 cm kasaan. Määritä jousen jousivakio.

Esimerkki 8.9 Massattomaan naruun kiinnitetty kuula päästetään heilahtamaan, kun narun ja pystysuoran välinen kulma on θo. Määritä kuulan vauhti ja narun jännitys heilahduskuman funktiona.

https://www.youtube.com/watch?v=xxxf2c-vrqe Got It? 7.3 Leikki keilapallolla

Esimerkki 8.11 Kappale, jonka massa on m, osuu liukuessaan vaakasuoralla tasolla jouseen, joka puristuu kasaan. Kappaleen vauhti juuri ennen osumista on v o, jousen jousivakio k ja jousen puristuma X. Määritä kappaleen ja alustan välinen kitkakerroin.

8-8 Teho Keskimääräinen teho P = W t Hetkellinen teho P = δw dt tai P = de dt P = δw dt = F d l dt = F d l dt = F v

Esimerkki 8.15 Määritä kuinka suuren tehon tarvitsee auto, jonka massa on 1400 kg, seuraavissa tilanteissa. Oleta, että ilmanvastus näissä nopeuksissa on likimain vakio F D = 700 N. a) Auto nousee mäkeä, jonka kaltevuus on 10, tasaisella nopeudella 80 km/h. b) Auto nostaa nopeuttaan vaakasuoralla tiellä 90 km/h:sta 110 km/h:iin.

8-9 Potentiaalienergiakäyrät Mekaaninen energia E = K + U Kun E = E3, kappale on vapaa ja sen energia riittää liikkumiseen minne vain Kun E = E2, kappale on loukkuuntunut jompaan kumpaan potentiaalikuopista. Se ei pääse vaihtamaan kuoppaa, koska potentiaalivalli estää. Potentiaalienergia paikan funktiona tasapainoasema du(x)/dx = F = 0 x 0 stabiili x 4 epästabiili Jos E = E 1 x 3 x x 2

Vetyatomin potentiaalienergiakäyrä vetymolekyylissä Energian nollakohta valittu vastaamaan äärettömän kaukana olevia atomeja Atomien etäisyys Energia Potentiaalienergian minimi kertoo tasapainoetäisyyden 0.2 Kun kokonaisenergia on negatiivinen, atomit pysyvät molekyylinä

Esimerkki: Vetymolekyyli Vetyatomin potentiaalienergia vetymolekyylissä on esitetty oheisessa kuvassa. Vetyatomien tasapainoetäisyys vetymolekyylissä on x o = 0,0741 nm. Lähellä potentiaalikuopan pohjaa potentiaalienergia on likimain paraabelin U = U o + a(x-x o ) 2 muotoinen, missä U o = -0,760 aj, a = 286 aj/nm 2. Määritä, kuinka kauas toisistaan atomit pääsevät, kun kokonaisenergia on 0,717 aj. Arvioi myös jousivakion suuruus. Energia (10-19 J) Atomien etäisyys (nm) 0.2

Piirretään parabeeli U = U o + a(x-x o ) 2, jolla approksimoidaan potentiaalienergian minimiä Sidosta voidaan approksimoida kahden pallon välisellä jousella Havaitaan, että sidoksen potentiaalienergia U = U o + a(x-x o ) 2 on samaa muotoa kuin Energia (aj) Esimerkki: Vetymolekyyli jousivoiman potentiaalienergia U= ½kx 2. Sidosta voidaan approksimoida kahden pallon välisellä jousella Määritetään poikkeaman suuruus tasapainosta U = U o + a( x x o ) 2 a( x x o ) 2 = U U o x x o = U U o a = 12 pm Koska jousivakio on d 2 U dx = d 2 dx H H Kokonaisenergian ollessa -0,717 aj, atomien liikkumisvapaus on näiden pisteiden välillä, ja atomien maksimietäisyys 24 pm Atomien etäisyys (nm) d 2 U dx 2 d 2 U dx 2 = d dx d dx 1 ( 2 kx 2 ) = d ( dx kx) = k Vetymolekyylin jouselle jousivakio on d dx U o + a x x o ( ) = d dx 2a x x o k = 2a k = 2 286 10 18 J ( 10 9 m) 2 k = 572 N/m ( ) 2 = 2a Ratkaisu