Analyyttinen mekaniikka

Samankaltaiset tiedostot
Analyyttinen mekaniikka I periodi 2012

53714 Klassinen mekaniikka syyslukukausi 2010

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Keskeisvoimat. Huom. r voi olla vektori eli f eri suuri eri suuntiin!

2 Keskeisvoimakenttä. 2.1 Newtonin gravitaatiolaki

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Klassisen mekaniikan historiasta

Kertausta: Vapausasteet

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

6 Monen kappaleen vuorovaikutukset (Many-body interactions)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

1.4. VIRIAALITEOREEMA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Kertausta: Hamiltonin periaate

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

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

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

Luento 10: Keskeisvoimat ja gravitaatio

RAK Statiikka 4 op

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

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Luento 12: Keskeisvoimat ja gravitaatio

Mekaniikka. Hannu Koskinen

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

5.13 Planetaarinen liike, ympyräradat

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

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

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

Vuorovaikutukset ja kappaleet

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Kitkavoimat. Ol. N massapisteen systeemi ja suoraan nopeuteen verrannollinen kitkavoima: k x v 2. i,x + ky v 2. i,y + kz v 2. vi F = i. r i.

Luento 9: Potentiaalienergia

RTEK-2000 Statiikan perusteet. 1. välikoe ke LUENTOSALEISSA K1705 klo 11:00-14:00 sekä S4 klo 11:15-14:15 S4 on sähkötalossa

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

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Klassista mekaniikkaa - kahden kappaleen probleema

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

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

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

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Luento 8: Liikemäärä ja impulssi

Hamiltonin formalismia

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

RAK Statiikka 4 op

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Luvun 5 laskuesimerkit

Luvun 5 laskuesimerkit

Suhteellisuusteorian perusteet 2017

6. TAIVAANMEKANIIKKA. Antiikki: planeetat = vaeltavia tähtiä jotka liikkuvat kiintotähtien suhteen

DYNAMIIKKA II, LUENTO 7 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Mekaniikkan jatkokurssi

Pietarsaaren lukio Vesa Maanselkä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Luento 3: Käyräviivainen liike

DYNAMIIKKA II, LUENTO 6 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Luento 9: Potentiaalienergia

LUENTO 3: KERTAUS EDELLISELTÄ LUENNOLTA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

STATIIKKA. TF00BN89 5op

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

Luento 9: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Shrödingerin yhtälön johto

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

KJR-C1001: Statiikka L3 Luento : Jäykän kappaleen tasapaino

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Luento 11: Periodinen liike

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

Luvun 8 laskuesimerkit

ellipsirata II LAKI eli PINTA-ALALAKI: Planeetan liikkuessa sitä Aurinkoon yhdistävä jana pyyhkii yhtä pitkissä ajoissa yhtä suuret pinta-alat.

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

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

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

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

Transkriptio:

Maanantai 1.9.2014 1/17 Analyyttinen mekaniikka Luennoitsija: Niko Jokela Syyslukukausi 2014 4h/vko luentoja+2h/vko harjoituksia

Maanantai 1.9.2014 2/17 Yleistä Luennot ma & to klo 10-12 (E204) sekä viikoilla 40 & 41 lisäksi pe 10-12 (E204). Viimeinen luento pe 10.10. Luennoitsija: Niko Jokela, niko.jokela@helsinki.fi (A324) Kurssin kotisivut: www.courses.physics.helsinki.fi/teor/amek/ Harjoitukset to 16-18 (D112), pe 12-14 (D116), pe 14-16 (E206) Assistentit: Timo Kärkkäinen (timo.j.karkkainen@helsinki.fi, C311) ja Viljami Leino (viljami.leino@helsinki.fi, C304) Harjoitukset jaellaan vain kurssin kotisivulla noin viikkoa ennen palautusaikaa (maanantaisin klo 16) Muistakaa ilmoittautua kurssille WebOodissa!

Maanantai 1.9.2014 3/17 Kurssista Esitiedot Peruskurssin mekaniikka MAPU I ja II Oppimateriaalia luentoprujut (löytyvät kurssin kotisivuilta) kurssikirja (Koskinen-Vainio: Klassinen mekaniikka, Limes) muut kirjat kirjastossa tukevat opiskelua Laskuharjoitukset tärkeä osa oppimista n. 20% arvosanasta Loppukoe

aanantai 1.9.2014 4/17 Sisällysluettelo Newtonin mekaniikka lyhyesti Lagrangen mekaniikkaa Kytketyt värähtelijät Jäykän kappaleen liike Kanoninen formalismi Kaaosteoriaa (jos aika antaa myöten)

Maanantai 1.9.2014 5/17 Aika ja avaruus klassisessa mekaniikassa Avaruus on 3-ulotteinen, Euklidinen ja absoluuttinen Aika on homogeneeninen ja absoluuttinen Oletukset ovat voimassa, kun v c : epärelativistinen pieniä massoja : ei tarvita yleistä suhteellisteoriaa Inertiaalikoordinaatisto: vapaa hiukkanen liikkuu vakionopeudella 1 Ei-inertiaalisia järjestelmiä: pyörivä maapallo (Coriolis-voima, ilman liikkeet), kiihtyvä/kääntyvä ajoneuvo 1 Esim. 3 Kelvinin mikroaaltotausta on keskimäärin isotrooppinen

aanantai 1.9.2014 6/17 Newtonin lait I Kappale pysyy levossa tai tasaisessa liikkeessä, ellei siihen kohdistu mitään ulkoisia voimia (Galileo Galilei): F = 0 v = vakio II Kappaleen liikemäärän muutos on yhtä suuri kuin siihen vaikuttava kokonaisvoima: d p dt = F ( p = m v) jos m on vakio, niin F = m a III Kahden kappaleen toisiinsa kohdistamat voimat ovat yhtäsuuria mutta vastakkaissuuntaisia: F 12 = F 21

Maanantai 1.9.2014 7/17 Liikeyhtälön muodostaminen Newtonin mekaniikassa Jotta kappaleen liike voidaan laskea Newtonin II laista, kaikki siihen vaikuttavat voimat pitää tuntea. Esim. piirretään vapaakappalekuva, johon merkitään kaikki kappaleeseen vaikuttavat voimat: kappaleesen vaikuttavat voimat (painovoima, sähkömagnetismi) erilaiset sidosvoimat (jännitykset, kitka, tukivoimat) Monien systeemien sidosvoimien käsittely voi olla hankalaa Newtonilaisittain. Sidosvoimien suuruus voi mm. riippua kappaleen liiketilasta. Tämän kurssin yksi päätavoitteista on oppia Lagrangen mekaniikkaa, joka tarjoaa systemaattisen tavan käsitellä kitkattomia sidoksia.

Maanantai 1.9.2014 8/17 Liikemäärän säilyminen Otetaan N kpl massapisteitä m i, i = 1, 2,..., N paikoissa r i, jotka vaikuttavat toisiinsa voimilla F ij. Mahdollisia ulkoisia voimia merkitään F ulk i. Newton II & ṁ i = 0: p i = m i ri = F ulk i + j i F ij Määritellään kokonaismassa M = i m i sekä massakeskipiste i R = m i r i M Tällöin saadaan kokonaisliikemäärän säilymislaki: M R = m i ri = i i F ulk i + F ij i,j;i j }{{ } =0; N III P M R = i F ulk i

Maanantai 1.9.2014 9/17 Työ viivaintegraalina Kiihdyttäessään kappaletta, voima tekee työtä W. Voiman työ määritellään viivaintegraalina: r(t) W F d r r 0 (t 0 ) Kun massapiste liikkuu pisteestä r 0 pisteeseen r, saadaan 2 : [ 1 2 m t W = d r t F t 0 dt dt = d t 0 ( ) ] d r 2 = 1 dt 2 m ( v 2 v0 2 ) T T0 Mikäli r r F d r on tiestä riippumaton, on F konservatiivinen: 0 ( 0 = F d r = ) F d S F = 0 F = U S S Konservatiiviselle voimalle pätee: r W = F d r = U( r) + U( r0 ) U + U 0 r 0 Eli saimme aikaan mekaanisen kokonaisenergian säilymislain: T + U = T 0 + U 0 = E = vakio 2 Oletus: sisäinen tila ei saa muuttua, esim. pyörimistila, massa.

Esimerkki: liike yksiulotteisessa potentiaalissa Kuva : Potentiaali U(x). Massapisteen liike rajoittuu alueeseen, jossa U(x) E. Suoraan integroimalla: E = vakio = 1 ( ) dx 2 2 m + U(x) dt = dt x(t) t t 0 = x=x 0 dx 2 (E U(x)) m dx 2 (E U(x)) m Tästä yhtälöstä voidaan siis ainakin periaatteessa ratkaista massapisteen rata eksplisiittisesti ajan funktiona x = x(t), kun tiedetään potentiaali ja ollaan määrätty alkuehto x = x 0. Käytännössä joudutaan turvautumaan numeriikkaan. Maanantai 1.9.2014 10/17

Tärkeä vastaesimerkki ehdolle ( r i r j ) Fij on hitujen vuorovaikutukset elektrodynamiikassa, jolloin täytyy huomioida lisäksi sähkömagneettisen kentän liikemäärä sekä liikemäärämomentti. Maanantai 1.9.2014 11/17 Liikemäärämomentti ja sen säilyminen Voiman momentti määritellään tutulla tavalla N = r F. Vastaavasti määritellään liikemäärämomentti (impulssimomentti): L = r p, l L Otetaan taas N hitua ja lasketaan kokonaisliikemäärämomentin aikaderivaatta: L = d N r i p i = r i p i = r i F ulk i + F ij dt i=1 i i j i Newtonin III lain nojalla: r i F ij = 1 r i F ij + r j F ji = 1 2 2 i,j;i j i,j;i j i,j;i j ( ) ri r j Fij = 0 i,j;i j voimille, joille ( r i r j ) Fij. Tästä seuraa kokonaisliikemäärämomentin säilymislaki: L = i r i F ulk i = N ulk

aanantai 1.9.2014 12/17 Keskeisvoimat Keskeisvoimat voidaan yleisesti esittää muodossa F ( r) = f ( r)ê r Huomaa, että voiman suuruus voi olla muotoa f ( r), jolloin se voi olla eri suuruinen eri suuntiin. Jos voiman suuruus riippuu vain etäisyydestä r r, on keskeisvoima selvästi konservatiivinen ja siis esitettävissä potentiaalin avulla. Tärkeä erikoistapaus on f (r) r 2, joka kuvaa painovoiman lisäksi Coulombin vuorovaikutusta. Tarkastellaan seuraavaksi esimerkkinä planeetan kiertämisestä Auringon ympäri, joka on siis kahden kappaleen ongelma ja redusoitavissa keskeisliikkeeksi. Kaksi pistemäistä kappaletta m 1, m 2 paikoissa r 1 ja r 2, jolloin massakeskipisteen (CM) paikka on R = m 1 r 1 + m 2 r 2 m 1 + m 2

aanantai 1.9.2014 13/17 Keskeisvoimat: kahden kappaleen ongelma Liikeyhtälöt: m 1 r1 = F 12 m 2 r2 = F 21 = F 12 joista seuraa, että CM:n nopeus on vakio: R = m 1 r 1 + m 2 r2 m 1 + m 2 = 0 CM:een voidaan siis kiinnittää inertiaalikoordinaatisto. Määritetään vektori r = r 2 r 1, jolloin kuvasta: r 1 = R m 2 r, r 2 = R + m 1 r m 1 + m 2 m 1 + m 2 Jolloin vähentämällä liikeyhtälöt toisistaan saadaan tulos: m r = F 21, m = m 1m 2 m 1 + m 2 redusoitu massa

aanantai 1.9.2014 14/17 Liike keskeisvoimakentässä Keskitymme jatkossa keskeisvoimiin, jotka ovat muotoa F ( r) = f (r)ê r. Nämä voimat osoittavat aina kohti (tai poispäin) origoa. Lasketaan voiman momentti N = r p = r F = f (r) r ê r = 0 josta suoraan seuraa, että liikemäärämomentti on liikevakio L = d dt ( r p) = r p + r p = 0 Koska sekä r L että r L, liike tapahtuu tasossa. Liike keskeisvoimakentässä on aina tasoliikettä. Johdetaan seuraavaksi pintalause. Olkoon da pinta-ala, jonka vektori r pyyhkäisee ajassa dt, samalla kiertyen θ verran, tällöin da = 1 2 r d r = 1 2 sin θrdr da dt = 1 2 r r = 1 2m l Eli r pyyhkäisee saman pinta-alan samassa ajassa kaikissa keskeisliikkeen vaiheissa. Tämä on Keplerin toinen laki.

Maanantai 1.9.2014 15/17 Radan integrointi energiayhtälöstä Palataan takaisin tutkimaan kuinka rata voidaan ratkaista energiayhtälöstä. Keskeisvoimakentässä kokonaisenergia säilyy: E = T + U = 1 2 mṙ 2 l 2 + 2mr }{{ 2 +U(r) = vakio } keskipakopotentiaali Yksiulotteisen liikkeen tilanteessa t t 0 = m/2 x x 0 dx ((E U(x))) 1/2. Yleistys: x r ja U(x) Ũ(r) = U(r) + l2 2mr 2 m r t t 0 = 2 r 0 dr E U(r) efektiivinen potentiaali : l2 2mr 2

aanantai 1.9.2014 16/17 Ratojen luokittelu Painovoima ja sähköstaattinen voima ovat samaa muotoa: f (r) = k r 2, k > 0 Potentiaali seuraa tästä integroimalla: U(r) = k r Ũ(r) = k r + l2 2mr 2 Kuva : Efektiivinen potentiaali Ũ(r) on todellisen keskeispotentiaalin (musta) k/r ja keskipakopotentiaalin (punainen) l 2 /(2mr 2 ) summa (sininen). Derivaatta r:n suhteen antaa voiman, jonka alaisena hitu liikkuu. Liike mahdollista vain, kun E > Ũ(r). Jos E > 0, niin kyseessä on avoin rata (hyperbeli, E = 0 paraabeli). Tapauksessa Ũmin < E < 0 on liike rajoittunutta (ellipsi), ja rajatapauksena saadaan ympyrärata, kun E = Ũ min.

Maanantai 1.9.2014 17/17 Säilymislaeista Edellä huomasimme, että tiettyjen ehtojen täyttyessä, löysimme säilyviä suureita: liikemäärä, liikemäärämomentti ja energia. Tähän liittyy itseasiassa kaunis teoreema, joka on Emmy Noetherin (saksalainen matemaatikko 1882-1935) käsialaa. Teoreema liittää säilyvät suureet ajan ja avaruuden symmetrioihin. Liikemäärän säilyminen seuraa avaruuden translaatioinvarianssista. Liikemäärämomentin säilyminen seuraa avaruuden rotaatiosymmetriasta. Energian säilyminen seuraa ajan translaatioinvarianssista.