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

Samankaltaiset tiedostot
Luento 9: Potentiaalienergia

Luento 11: Potentiaalienergia

Luento 9: Potentiaalienergia

W el = W = 1 2 kx2 1

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

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

= ( F dx F dy F dz).

DYNAMIIKKA II, LUENTO 8 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

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

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

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

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

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

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Työ ja kineettinen energia

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

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

Miltä työn tekeminen tuntuu

2 Keskeisvoimakenttä. 2.1 Newtonin gravitaatiolaki

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

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

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

6 Monen kappaleen vuorovaikutukset (Many-body interactions)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Luento 11: Periodinen liike

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Luento 13: Periodinen liike

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

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

Vuorovaikutukset ja kappaleet

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

kertausta Esimerkki I

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

5.13 Planetaarinen liike, ympyräradat

Luento 3: Käyräviivainen liike

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Luento 12: Keskeisvoimat ja gravitaatio. Gravitaatio Liike keskeisvoimakentässä Keplerin lait Laskettuja esimerkkejä

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

Luento 5: Käyräviivainen liike

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

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

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

(d) f (x,y,z) = x2 y. (d)

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

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

DEE Sähkötekniikan perusteet

Luento 10: Keskeisvoimat ja gravitaatio

Luento 12: Keskeisvoimat ja gravitaatio

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

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Luento 3: Käyräviivainen liike

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

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

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Matematiikan tukikurssi

Dissipatiiviset voimat

Kemiallinen reaktio

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Pietarsaaren lukio Vesa Maanselkä

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

Luento 5: Käyräviivainen liike

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Transkriptio:

Luento 11: Potentiaalienergia Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia 1 / 22

Luennon sisältö Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia 2 / 22

Johdanto Tähän asti työ määriteltiin hiukkasen liikeradan kautta Usein kätevämpää käyttää potentiaalienergian (potential energy) käsitettä Potentiaalienergia riippuu vain hiukkasen paikasta voimakentässä Sen avulla päästään myös energian säilymisen periaatteeseen Energia voi muuttaa muotoaan, mutta sitä ei voi luoda eikä hävittää 3 / 22

Gravitaatiopotentiaalienergia Maan pinnan läheisyydessä liikkuva hiukkanen Kun se siirtyy korkeudelta y 1 korkeudelle y 2, niin siihen vaikuttavan maan vetovoiman tekemä työ on W grav = Fs = w(y 2 y 1 ) = mgy 1 mgy 2 Määritellään gravitaatiopotentiaalienergia U = mgy Nyt vetovoiman tekemä työ on W grav = U 1 U 2 = (U 2 U 1 ) = U 4 / 22

Käyräviivainen liike Jos hiukkanen liikkuukin käyräviivaisesti pisteestä P 1 pisteeseen P 2, on gravitaatiovoiman tekemä työ W grav = = P2 P 1 w d l = y2 y 1 P2 P 1 ( mgĵ) (dxî + dyĵ + dz ˆk) mgdy = mgy 1 mgy 2 = U Seuraus: potentiaalienergian käsitettä voidaan käyttää niin suora- kuin käyräviivaisessakin liikkeessä 5 / 22

Jousen potentiaalienergia Materiaali on elastista (elastic), jos se palautuu alkuperäiseen muotoonsa jännityksen purkauduttua Ideaalinen jousi on täydellisen elastinen. Aiemmin laskettiin jousta venyttävän voima tekemä työ Newtonin 3. laki = jousen tekemä työ on sen vastaluku W el = 1 2 kx 2 1 1 2 kx 2 2 Määritellään jousen (elastinen) potentiaalienergia U = 1 2 kx 2 6 / 22

Jousen potentiaalienergia Jousen tekemä työ on tällöin W el = 1 2 kx 2 1 1 2 kx 2 2 = U 1 U 2 = U Jousen potentiaalienergiaa laskettaessa venymä x mitataan jousen tasapainoasemasta. Jousta jännitettäessä W el < 0 potentiaalienergia U kasvaa Jännityksen purkautuessa, W el > 0 U pienenee. 7 / 22

Mekaanisen energian säilyminen Jos hiukkaseen ei vaikuta muita voimia kuin gravitaatiovoima, niin voiman tekemä työ on sekä kineettisen energian että potentiaalienergian muutos W tot = K 2 K 1 = K ja W tot = W grav = U 1 U 2 = U Tämä on mekaanisen energian säilymislaki: K = U K 1 + U 1 = K 2 + U 2 Energia säilyy Sama pätee myös jousivoimalle: W tot = W el 8 / 22

Mekaaninen kokonaisenergia Määritellään systeemin mekaaninen kokonaisenergia E = K + U Nyt mekaanisen energian säilymislaki voidaan kirjoittaa E = K + U = vakio Huom! Mekaanisen energian säilyminen ei riipu potentiaalienergian nollatason määrittelystä Vain potentiaalienergioiden erotus ratkaisee 9 / 22

Muut voimat Mikäli kappaleeseen vaikuttaa jousivoiman ja graviaatiovoiman lisäksi muita voimia (F other 0) Yleistetään edellä käsitellyt tapaukset W tot = W el + W grav + W other = K Toisaalta W el = U el ja W grav = U grav, joten W other = K + U el + U grav = K 1 + U el,1 + U grav,1 + W other = K 2 + U el,2 + U grav,2 10 / 22

Luennon sisältö Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia 11 / 22

Konservatiiviset voimat Mekaanisen (kineettisen ja potentiaali-) energian säilymislaki on voimassa gravitaatio- ja jousivoiman yhteydessä, mutta ei kitkavoiman. Mistä tiedetään voidaanko potentiaalienergiaa käyttää? Gravitaatio- ja jousivoimat ovat konservatiivisia voimia (conservative force), koska näiden voimien tekemä työ voidaan esittää potentiaalienergiafunktion avulla. Kitkavoima taas on dissipatiivinen, häviöllinen voima. Voimat jotka eivät ole konservatiivisia, ovat ei-konservatiivisia (nonconservative). 12 / 22

Konservatiivinen voima Voi varastoida energiaa joka on kokonaan käytettävissä takaisin liike-energiaksi. Voidaan ilmaista radan alku- ja päätepisteiden potentiaalienergian erotuksena On reversiibeli Ei riipu kuljetusta polusta, ainoastaan alku- ja päätepisteistä Jos alku- ja päätepisteet ovat samat, niin voiman tekemä työ on nolla F cons d l = 0 (Konservatiiviselle voimalle) 13 / 22

Ei-konservatiivinen voima Voi olla häviöllinen, jolloin systeemin mekaanista energiaa menetetään. Toisaalta voi myös tuoda systeemiin lisää mekaanista energiaa. Todellisuudessa energiaa ei häviä tai synny, vaan esim. systeemin kappaleet kuumenevat tai jäähtyvät, tai systeemissä vapautuu tai sitoutuu kemiallista energiaa.

Energian säilymisen laki Lämpö ja kemiallinen energia ovat eräitä systeemin sisäisen energian U int muotoja Kokeet ei-konservatiivisten voimien tekemään työhön liittyy aina sisäisen energian muutos U int = W other Energian säilymislaki yleisessä muodossaan on K + U + U int = 0 missä U sisältää kaikkien konservatiivisten voimien potentiaalienergian. 15 / 22

Luennon sisältö Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia 16 / 22

Voima potentiaalienergiasta Kuinka voidaan laskea voiman lauseke, jos potentiaalienergia tunnetaan? Työ määriteltiin potentiaalienergian negatiivisena muutoksena W = U Toisaalta pienelle potentiaalienergian muutokselle du pätee dw = F d s = Ft ds = du, joten voidaan kirjoittaa F t = du ds Tämä on suunnattu derivaatta eli funktion U muutosnopeus s:n suuntaan Se voidaan esittää toisaalta osittaisderivaattojen avulla ( ) U F t = ê s U = ê s x î + U y ĵ + U z ˆk Merkintä U/ x tarkoittaa osittaisderivointia, eli monen muuttujan funktio U derivoidaan (tässä tapauksessa) x:n suhteen, pitäen samalla muut muuttujat vakioina

Voima potentiaalienergiasta gradientti Vektorin U projektio vektorille s F t = ê s U = ê s ( ) U x î + U y ĵ + U z ˆk Toisaalta tarkasteltiin voimavektoria F, joten ( ) U F = U = x î + U y ĵ + U z ˆk eli voima on konservatiivisen potentiaalin gradientti Konservatiivisessa voimakentässä hiukkaseen kohdistuva voima ajaa sitä kohti potentiaalienergiaminimiä

Mikä ihmeen gradientti? A = V = Skalaarikentän V gradientti on vektorikenttä A, joka osoittaa skalaarikentän suurimman kasvun suuntaan ja jonka suuruus on ko. kasvunopeus Taustaa ja kivoja kuvia Wikipediassa http://en.wikipedia.org/wiki/gradient Esiintyy fysiikassa mm. mekaniikassa energian yhteydessä ja sähkömagnetiikassa Maxwellin lakien yhteydessä Mäen jyrkkyys 19 / 22

Energiatasokaaviot Tarkastellaan potentiaalienergiafunktion U(x) kuvaajaa Tasapainopiste du/dx = 0 Stabiili tasapainoasema: tasapainoaseman ympärillä palauttava voima (restoring force) Kuvaajasta voidaan lisäksi päätellä voiman suunta kussakin kuvaajan pisteessä Voidaan myös arvioida, jos kappaleen kokonaisenergia tiedetään, minkä koordinaattiarvojen välillä kappale liikkuu ja missä sen kineettinen energia on suurimmillaan. 20 / 22

Luennon sisältö Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia 21 / 22

Tervetuloa luennolle Tutkitaan esimerkkejä ja tehdään harjoituksia luennolla 22 / 22