Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Samankaltaiset tiedostot
Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luvun 12 laskuesimerkit

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Hydrauliikka: kooste teoriasta ja käsitteistä

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

TEHTÄVIEN RATKAISUT N = 1,40 N -- 0,84 N = 0,56 N. F 1 = p 1 A = ρgh 1 A. F 2 = p 2 A = ρgh 2 A

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

3. Bernoullin yhtälön käyttö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

SMG-4500 Tuulivoima. Ensimmäisen luennon aihepiirit. Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat TUULEN LUONNONTIETEELLISET PERUSTEET

Mekaniikka, osa 2. Perttu Lantto. Luentokalvot

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

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

5-2. a) Valitaan suunta alas positiiviseksi. 55 N / 6,5 N 8,7 m/s = =

15. Rajakerros ja virtaus kappaleiden ympäri. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

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

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

VISKOSITEETTI JA PINTAJÄNNITYS


Luento 9: Potentiaalienergia

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

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

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

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

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

9. Kitkaton virtaus ja potentiaaliteoria. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Luento 9: Potentiaalienergia

Chapter 5. Life in the Slow Lane: The Low Reynolds-Number World

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, pe :00-17:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai klo 12:00-16:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

FYSIIKAN HARJOITUSKOE I Mekaniikka, 8. luokka

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

HARJOITUS 4 1. (E 5.29):

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

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

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

Chapter 1. Preliminary concepts

14. Putkivirtausten ratkaiseminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Mekaniikka, osa 2. Perttu Lantto. Luentokalvot

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

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Miltä työn tekeminen tuntuu

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

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

Luento 10: Työ, energia ja teho

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

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Työ ja kineettinen energia

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Muunnokset ja mittayksiköt

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

Putkistovirtausmittauksia

W el = W = 1 2 kx2 1

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

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

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Elastisuus: Siirtymä

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

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

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

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Luvun 10 laskuesimerkit

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Transkriptio:

Mekaniikan jatkokurssi Fys10 Kevät 010 Jukka Maalampi LUENTO 10

Noste Nesteeseen upotettuun kappaleeseen vaikuttaa nesteen pintaa kohti suuntautuva nettovoima, noste F B Kappaleen alapinnan kohdalla nestemolekyylien tiheys on hieman suurempi kuin yläpinnan kohdalla, joten paine alapintaan on suurempi kuin yläpintaan. Tämä aiheuttaa nosteen. Kuinka suuri noste on? Nesteen osaan vaikuttaa ympäröivien molekyylien pommituksen aiheuttama noste. Koska osa on paikallaan, noste = paino eli F F B G neste gv Korvataan nesteen osa samanmuotoisella kappaleella. Ympäröivä neste ei muutu, joten noste ei muutu. Arkhimedeen laki: Noste = kappaleen syrjäyttämän nestemäärän paino.

Nosteen vaikutus kpl neste ( FG ) kpl ( FG ) neste F B Nettovoima ( F G ) kpl F B alaspäin eli kappale uppoaa. kpl neste ( FG ) kpl ( FG ) neste F B Nettovoima ylöspäin eli kappale nousee pintaan. kpl neste ( FG ) kpl ( FG ) neste F B Kappale kelluu paikallaan nesteessä.

Esimerkki Puukappale (kuutio, sivu 10 cm) on kiinnitetty narulla vesiastian pohjaan niin, että se on kokonaan veden alla. Kappaleen tiheys on 700 kg/m 3. Mikä on langan jännitysvoima? Ratkaisu Ylöspäin vaikuttaa noste, alaspäin paino ja narun jännitys. Voimat kumoavat toisensa, kun kappale on paikoillaan. Narun jännitykseksi saadaan siten T F B W ( vesi.94 N kpl vesi ) gv gv mg vesi 3 (300 kg/m gv kpl )(9.81m/s gv )(1.0 10 3 m 3 ) W F B T

Virtausdynamiikka Ideaalifluidi Kokoonpuristumaton. Pätee hyvin nesteille, huonommin kaasuille. Ei viskositeettia eli virtausvastusta. Monille nesteille huono oletus. Virtaus on tasaista eli fluidin nopeus kaikkialla fluidissa vakio. Tällaista virtausta sanotaan laminaariseksi virtaukseksi. (Laminaarisen virtauksen vastakohta on turbulentti virtaus.)

Jatkuvuusyhtälö Ideaalivirtauksessa kukin nestehiukkanen kulkee omaa rataansa, joka ei risteydy muiden hiukkasten ratojen kanssa. Nestehiukkasen rata = virtausviiva. Nestehiukkasen nopeus on virtausviivan tangentin suuntainen. Tuulitunnelikokeissa savuvana seuraa omaa virtausviivaansa eikä sekoitu ympäröivän ilmavirran kanssa.

Virtausviivojen voi ajatella rajaavan kuvitteellisen virtausputken. Sama määrä fluidia, mikä menee pinnan A 1 läpi sisään jonain aikana Dt, tulee samana aikana ulos pinnan A läpi. Nestemäärät ovat joten V V 1 A1 dx1 A1 v1 t A dx A v t A 1v1 Av ΔV 1 ΔV Tämä on jatkuvuusyhtälö. Yhtälön mukaan virtaama Q va [ Q ] = m 3 /s on vakio kaikkialla virtausputkessa. Virtaama kutsutaan myös tilavuusvirtausnopeudeksi, ja se voidaan esittää muodossa dv dt va

The figure shows volume flow rates (in cm 3 /s) for all but one tube. What is the volume flow rate through the unmarked tube? Is the flow direction in or out? A. 1 cm 3 /s, in B. 1 cm 3 /s, out C. 10 cm 3 /s, in D. 10 cm 3 /s, out E. It depends on the relative size of the tubes.

Esimerkki

Bernoullin yhtälö Jatkuvuusyhtälön ohella toinen tärkeä ideaalinestettä koskeva yhtälö. Perustuu energian säilymiseen virtauksessa. Energian säilyminen: K liike-energia U potentiaalienergia W ext ulkoisten voimien tekemä työ K U W ext. Ympäröivän nesteen aiheuttama voima virtausputken alapäässä F 1. Kun neste siirtyy oikealle matkan r 1, voima tekee työn W1 F1 r1 F1 r1 ( p1 A1 ) x1 p1v Yläpäässä neste liikkuu voimaa vastaan, joten W F r F r ( p A ) x pv

Ulkoisten voimien tekemä työ on yhteensä W ext W 1 W p1v pv. Potentiaalienergian muutos on (tiheys oletettu vakioksi) U mgy mgy1 Vgy Vgy1 Liike-energian muutos 1 1 1 K K K1 mv mv1 Vv Vv 1 1. Energiayhtälö K U W ext tulee silloin olemaan 1 1 Vv Vv1 Vgy Vgy1 p1v pv Kun supistetaan V ja järjestellään termejä, saadaan Bernoullin yhtälö eli vakio

Jos neste ei liiku, Bernoullin yhtälö kertoo p p g y y ) gh 1 ( 1 Tämä on aikaisemmasta tuttu nesteen paineyhtälö. voima Esimerkki Bernoullin yhtälöstä toiminnassa. Kun ilman virtaus nauhan yläpuolella kasvaa, paine vastaavasti pienenee. Paine-ero saa nauhan nousemaan. Esimerkki

Sovellus: Kaasun nopeuden mittari Venturi-putki Toimii hyvin, kun kaasun nopeus < äänen nopeus 340 m/s. Käytetään Bernoullin yhtälöä y 1 =y Jatkuvuusyhtälöä A 1v1 Av Hydrostaattista paineyhtälöä p p1 liq gh Ratkaistaan p ja v ja sijoitetaan B:n yhtälöön: 1 1 A1 p1 v1 ( p1 liqgh) v A Kaasun nopeudelle saadaan 1 v 1 A gh ( A liq 1 A ) A A 1 v Mitataan h ja saadaan selville kaasun nopeus putkessa, sekä isossa että ohennetussa.

Mihin järjestykseen nestepatsaiden korkeudet tulevat? h b > h d > h c > h a Virtausnopeuden mukaisesti

Esimerkki

Viskositeetti Nesteen tai kaasun sisäinen kitka, joka vastustaa n/k:n osien liikettä toistensa suhteen. Sekä hyötyä että haittaa: Veneen airot ja laivan potkurit toimivat viskositeetin ansiosta Viskositeetti dissipoi energiaa hyödyttömään muotoon Viskoosi neste tai kaasu pyrkii tarttumaan seinämiin, joiden ohi se virtaa. Tämän takia virtaus on nopeampaa putken keskellä kuin reunoilla http://www.youtube.com/watch?v=z6ujbwxbzi&feature=player_embedded