KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Samankaltaiset tiedostot
KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

VEKTORIT paikkavektori OA

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Suorista ja tasoista LaMa 1 syksyllä 2009

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

KJR-C1001: Statiikka L3 Luento : Jäykän kappaleen tasapaino

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Vektorin paikalla avaruudessa ei ole merkitystä. Esimerkiksi yllä olevassa kuvassa kaikki kolme vektoria ovat samoja, ts.

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. ( )

Voimapari ja sen momentti

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Suora 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

A-osio. Tehdään ilman laskinta ja taulukkokirjaa! Valitse tehtävistä A1-A3 kaksi ja vastaa niihin. Maksimissaan tunti aikaa suorittaa A-osiota.

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

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

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/3

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

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

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

STATIIKKA. TF00BN89 5op

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/2

KRISTALLOGRAFIASSA TARVITTAVAA MATEMA- TIIKKAA

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

1. Olkoot vektorit a, b ja c seuraavasti määritelty: a) Määritä vektori. sekä laske sen pituus.

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Tekijä Pitkä matematiikka Poistetaan yhtälöparista muuttuja s ja ratkaistaan muuttuja r.

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Avaruuden kolme sellaista pistettä, jotka eivät sijaitse samalla suoralla, määräävät

Muista tutkia ihan aluksi määrittelyjoukot, kun törmäät seuraaviin funktioihin:

Pistetulo eli skalaaritulo

Suorat ja tasot, L6. Suuntajana. Suora xy-tasossa. Suora xyzkoordinaatistossa. Taso xyzkoordinaatistossa. Tason koordinaattimuotoinen yhtälö.

Taso 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste, suora

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Insinöörimatematiikka D

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

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

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Tekijä Pitkä matematiikka b) Kuvasta nähdään, että b = i 4 j. c) Käytetään a- ja b-kohtien tuloksia ja muokataan lauseketta.

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Luvun 5 laskuesimerkit

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

MAA15 Vektorilaskennan jatkokurssi, tehtävämoniste

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Lineaarialgebran laskumoniste Osa1 : vektorit

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Lineaarialgebra 5 op

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Tekijä Pitkä matematiikka

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Konformigeometriaa. 5. maaliskuuta 2006

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

MEI Kontinuumimekaniikka

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 8. Vektoreista ja matriiseista Vektorien peruslaskutoimitukset Lineaarinen riippumattomuus Vektorien sisätulo

Potentiaali ja potentiaalienergia

Suora. Hannu Lehto. Lahden Lyseon lukio

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Transkriptio:

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka Luento 24.2.2016 Susanna Hurme

Päivän aihe: Voiman momentin käsite (Kirjan luvut 4.1-4.6) Mikä on voiman momentti? Määritetään momentti skalaari- ja vektorimuodossa Opitaan laskemaan momentti akselin ympäri Voimaparin momentti

Mikä on voiman momentti? (Kirjan luvut 4.1-4.3) Voima pyrkii kiertämään kappaletta vaikutussuoransa ulkopuolisen pisteen suhteen Tätä kutsutaan joskus väännöksi, mutta yleensä voiman momentiksi tai momentiksi Momentin suuruus on suoraan verrannollinen voiman suuruuteen ja pisteen ja vaikutussuoran väliseen kohtisuoraan etäisyyteen, voiman varteen

Mikä on voiman momentti? Momentilla on suuruus ja suunta: Momentti on siis vektori Voima F aiheuttama momentti pisteen O ympäri on M O Momentin suuruus on voima kertaa varsi M O = Fd Momentin suunta määräytyy oikean käden säännön mukaisesti Vastapäivään positiivinen, myötäpäivään negatiivinen

Esimerkki Mikä on voiman varsi d, kun halutaan laskea momentti pisteen O ympäri?

Momentin skalaarimuoto Tasossa (2D) on kätevää tarkastella momenttia skalaarimuodossa Yhtälöt ovat yksinkertaisempia, kuin vektorimuotoiset yhtälöt Tasossa momentin resultantti saadaan laskemalla yhteen kaikkien voimasysteemin voimien aiheuttamat momentit + M R O = ΣFd M R O = F 1 d 1 F 2 d 2 + F 3 d 3

Momentin skalaarimuoto Esimerkki: Laske resultanttimomentti, kun F 1 = F 2 = F 3 = 100 N, d 1 = 1 m, d 2 = 1,3 m, d 3 = 1,2 m M R O = F 1 d 1 F 2 d 2 + F 3 d 3 = 100 130 + 120 Nm = 90(Nm) Laske resultanttimomentti, kun F 1 = F 3 = 100 N, F 2 = 200 N, d 1 = d 3 = 1 m, d 2 = 1,2 m M R O = 100 240 + 100 Nm = 40(Nm) Mihin suuntaan positiivinen ja negatiivinen resultanttimomentti pyrkivät pyörittämään kappaletta?

Momentin vektorimuoto (Kirjan luvut 4.2-4.3) Momenttivektori on paikkavektorin ja voimavektorin ristitulo M O = r F Mitä tämä tarkoittaa? Kerrataan seuraavaksi ristitulon ominaisuuksia

Momentin vektorimuoto Ristitulo Kahden vektorin ristitulo tuottaa vektorin C = A B Vektorin C suuruus on C = AB sin θ C = AB sin θ u C Vektori C on kohtisuorassa vektoreiden A ja B muodostamaa tasoa vastaan ja sen suunta määräytyy oikean käden säännön avulla B A =?

Momentin vektorimuoto Ristitulo Muodostetaan ristitulon karteesinen esitys Kantavektoreiden ristitulo i j : Suuruus: i j sin 90 = 1 1 1 = 1 Suunta oikean käden säännön mukaisesti Ratkaise i k =? Ratkaise i i =? i j = k

Momentin vektorimuoto Ristitulo Muodostetaan ristitulon karteesinen esitys A B = A x i + A y j + A z k B x i + B y j + B z k = A x B x i i + A x B y i j + A x B z i k +A y B x j i + A y B y j j + A y B z j k +A z B x k i + A z B y k j + A z B z k k A B = A y B z A z B y i + A z B x A x B z j + A x B y A y B x k = A y B z A z B y i A x B z A z B x j + A x B y A y B x k = i j k A x A y A z B x B y B z

Momentin vektorimuoto Ristitulo Miten determinantti ratkaistaan? i-alkiolle: i j k A x A y A z B x B y B z = i(a y B z A z B y ) Määritelmän mukaan: A 11 A 12 A 21 A 22 = A 11 A 22 A 12 A 21 j-alkiolle: i j k A x A y A z B x B y B z = j(a x B z A z B x ) Muista miinus-merkki! k-alkiolle: i j k A x A y A z B x B y B z = k(a x B y A y B x ) Lopuksi lasketaan tulokset yhteen.

Momentin vektorimuoto Ristitulo Esimerkki: Laske A B, kun A = 2i + j k ja B = 5j + 2k Tapa 1. Sijoitetaan suoraan yhtälöön A B = A y B z A z B y i A x B z A z B x j + A x B y A y B x k = (1)(2) ( 1)(5) i (2)(2) ( 1)(0) j + (2)(5) 1 0 k = 7i 4j + 10k Huom. Voisimme myös lähteä ratkaisemaan alusta, eli (2i + j k) (5j + 2k), koska osaamme laskea kantavektorien ristitulot Tapa 2. Ratkaistaan determinantti i j k A x A y A z = B x B y B z i j k 2 1 1 0 5 2 = 2 5 i 4 0 j + 10 0 k = 7i 4j + 10k

Momentin vektorimuoto Momentti saadaan siis paikkavektorin ja voiman ristitulona M O = r F Momentin suuruus on ristitulon määritelmän mukaan M O = rf sin θ = F(r sin θ) = Fd Momentin suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan. Ei ole väliä mihin pisteeseen voiman vaikutussuoralla paikkavektori osoittaa.

Momentin vektorimuoto Karteesinen momenttivektori Voimasysteemin resultanttimomentti M O = r F = i j k r x r y r z F x F y F z M RO = Σ(r F) = r y F z r z F y i r x F z r z F x j + r x F y r y F x k = (M O ) x i + (M O ) y j + (M O ) z k Momentti x-akselin ympäri

Esimerkki Määritä voimien aiheuttama resultanttimomentti pisteen O ympäri. Tapa 1. Skalaarimenetelmä Kerrotaan jokainen voima etäisyydellään pisteeseen O, ja summataan momentit y (1 + 2 + 2.5 cos 45 ) m +M O = 600N 1m 300N 2.5 2 m + 500N((3 + 2.5 2 ) m) = 1253.55 Nm = 1254 Nm 2.5 sin 45 m x M O = 1254k Nm

Esimerkki Määritä voimien aiheuttama resultanttimomentti pisteen O ympäri. y F 3 = Tapa 2. Vektorimenetelmä Määritetään paikkavektorit ja voimavektorit r 1 = i m F 1 = 600j N r 2 = r 3 = 3 + 2.5 2 i + 2.5 2 j m F 2 = 300i N F 3 = 500j N r 2 = r 3 = F 2 M RO = Σ r F = r 1 F 1 + r 2 F 2 + r 3 F 3 F 1 = r 1 x = i j k 1 0 0 0 600 0 + i j k 3 + 2.5 2.5 2 2 0 300 0 0 = 600k 2.5 2 300k + 3 + 2.5 2 500k + i j k 3 + 2.5 2.5 0 2 2 0 500 0 = 1253.55k = 1254k Nm

Esimerkki Momenttiperiaate Tapa 1. Lasketaan geometrian avulla voiman vaikutussuoran etäisyys pisteestä O Kulmakertoimen avulla saadaan mitta a a 2m = 4 3 a = 8 3 m Esimerkki. Laske voiman momentti pisteen O ympäri. Kulmakertoimen avulla saadaan myös kulma α y d tan α = 3 4 Etäisyys d voidaan ratkaista nyt trigonometria avulla α a x d = 5 + a sin α = 4,6 m Momentti pisteen O ympäri on M O = Fd = 100N 4,6 m = 460 Nm M O = 460k Nm

Esimerkki Momenttiperiaate Momenttiperiaatteen mukaan voiman aiheuttama momentti pisteen ympäri on yhtä suuri kuin voiman komponenttien aiheuttamien momenttien summa pisteen ympäri. Tapa 2. Jaetaan voima komponentteihinsa ja lasketaan molempien komponenttien aiheuttama momentti pisteen O ympäri. Lopuksi summataan momentit. Kulmakertoimen avulla saadaan voiman komponentit: Esimerkki. Laske voiman momentti pisteen O ympäri. F x 100N = 4 5 F x = 80 N y F y F y 100N = 3 5 F y = 60 N F x Lasketaan momentti x +M O = F x 2m F y 5m = 80N 2m 60 N 5m = 460 Nm M O = 460k Nm

Momentti akselin ympäri Momentti y-akselin ympäri, M y, halutaan tietää. M y M O M O = Fd M y = Fd y = Fd cos θ Momentin suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan.

Momentti akselin ympäri Vektorimenetelmä 1. Lasketaan momentti M O jossain y-akselin pisteessä O 2. Momentti y-akselilla saadaan momentin M O projektiosta y-akselille Projektio saadaan pistetulolla 3. Momenttivektori on M y = j M O M y = M y j

Momentti akselin ympäri Vektorimenetelmä Yleisesti: u a on akselin a suuntainen yksikkövektori Voiman F momentti akselin a ympäri on M a = u a (r F) Kyseessä on skalaarikolmitulo, joka voidaan laskea determinantista M a = u a (r F) = u a x u a y u a z r x r y r z F x F y F z, M a = M a u a

Esimerkki Määritä voimien aiheuttama momentti x-, y- ja z- akselien ympäri. Momentti x-akselin ympäri. + M x = 100N 3m = 300 Nm Momentti y-akselin ympäri. z 100 N + M y = 200N 2m = 400 Nm 50 N 200 N y Momentti z-akselin ympäri. 2 m + M z = 300N 2m = 600 Nm x 3 m 300 N

Esimerkki Momentti lasketaan skalaarikolmitulosta: Määritä momentti x- akselin ympäri, kun F = 300i 200j + 150k N. M a = u a (r F) = u a x u a y u a z r x r y r z F x F y F z Määritetään voiman paikkavektori r OB : r OB = 0.3i + 0.4j 0.2k m r OB Yksikkövektori u a x-akselin suuntaan on kantavektori i. Lasketaan skalaarikolmitulo. M a = i (r OB F) = 1 0 0 0.3 0.4 0.2 300 200 150 = 0.4 150 0.2 200 = 20 (Nm)

Voimaparin momentti Voimapari on kaksi samansuuruista ja yhdensuuntaista mutta erimerkkistä voimaa Voimaparin voimien välinen kohtisuora etäisyys on d Resultanttivoima on nolla, F F = 0, joten voimapari aiheuttaa ainoastaan momentin, jota kutsutaan voimaparin momentiksi Voimaparin momentti lasketaan molempien voimien momenttien summana M = r B F + r A F Huom. r B = r A + r eli r = r B r A = (r B r A ) F M = r F Voimaparin momentti on vapaa vektori!

Voimaparin momentti Voimaparin momentin suuruus on M = Fd Missä d on voimien välinen kohtisuora etäisyys Voimaparin momentin suunta määräytyy oikean käden säännön mukaisesti Voimaparit ovat samanarvoisia kun niiden momentit ovat yhtä suuria ja samansuuntaisia

Voimaparin momentti Voimaparin momentin resultantti saadaan laskemalla kaikki voimaparien momentit yhteen M R = M 1 + M 2 M R = Σ(r F)

Esimerkki Laske voimaparin momentti ja esitä se karteesisena vektorina Määritetään paikkavektori pisteestä A pisteeseen B (eilisen luennolla opittu) r AB = (x B x A )i + (y B y A )j + (z B z A )k = 0.4 0 i + 0 0 j + 0.3 0.3 k = 0.4i m Kirjoitetaan voima F B karteesisena vektorina r AB F B = F B x i + F By j + F Bz k Voimaparin momentti on = ( 4 5 450)j + ( 3 5 450)k = 360j 270k N M = r AB F B = i j k 0.4 0 0 0 360 270 = 0.4 270 j + 0.4 360 k = 108j + 144k Nm

Mitä tänään opimme? Voiman momentin määritelmä Voiman momentin laskeminen skalaari- ja vektorimenetelmillä Voiman momentti akselin ympäri Voimaparin momentti