KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Samankaltaiset tiedostot
KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 3: Käyräviivainen liike

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luento 3: Käyräviivainen liike

Luento 5: Käyräviivainen liike

Luento 5: Käyräviivainen liike

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Fysiikka ei kerro lopullisia totuuksia. Jokin uusi havainto voi vaatia muuttamaan teorioita.

Kinematiikka -1- K09A,B&C Harjoitustehtäviä Kevät 2010 PARTIKKELI. Suoraviivainen liike

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

DYNAMIIKKA II, LUENTO 2 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

4 Kaksi- ja kolmiulotteinen liike

Mekaniikka, osa 2. Perttu Lantto. Luentokalvot

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

DYNAMIIKKA II, LUENTO 4 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

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

Luento 9: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 4: Taso- ja avaruuskäyrät

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

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

kertausta Esimerkki I

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

KALTEVA TASO. 1. Työn tavoitteet. 2. Teoria

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

6 PISTETULON JA RISTITULON SOVELLUKSIA. 6.1 Pyörivistä kappaleista. Vaasan yliopiston julkaisuja Voiman momentti akselin suhteen avaruudessa

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

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

Luento 10: Työ, energia ja teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

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

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

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

3 Määrätty integraali

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Luento 2: Liikkeen kuvausta

nopeammin. Havaitaan, että kussakin tapauksessa kuvaaja (t, ϕ)-koordinaatistossa on nouseva suora.

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

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Kinematiikka. Tommi Lintilä, Kari Tammi (Janne Ojalan kalvoista)

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

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

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

8 Suhteellinen liike (Relative motion)

Luvun 10 laskuesimerkit

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

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

DYNAMIIKKA II, LUENTO 6 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

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

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Jäykän kappaleen mekaniikkaa

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


Luvun 5 laskuesimerkit

Transkriptio:

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka Luento 22.3.2016 Susanna Hurme

Päivän aihe: Rotaatioliikkeen kinematiikka: kulmanopeus ja -kiihtyvyys (Kirjan luvut 12.7, 16.3) Osaamistavoitteet Osata analysoida jäykän kappaleen pyörimisliikettä kiinteän akselin ympäri Ymmärtää käsitteet: kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys sekä osata esittää ne skalaari- ja vektorimuodossa Osata analysoida pisteen ympyräliikettä Sisältö Määritellään, mitä on pyörimisliike Määritellään kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys Tarkastellaan pisteen liikettä jäykän kappaleen rotaatioliikkeessä Kinematiikan yhtälöiden esittäminen normaali- ja tangentiaalikoordinaatistossa Sovellusesimerkkejä

Jäykän kappaleen tasoliike

Kulmanopeus ja -kiihtyvyys Tarkastellaan pyörivän kappaleen pisteen P liikettä. Piste P liikkuu ympyräradalla kappaleen pyörimisakselin ympäri. Pisteen P kulma-asema ilmoitetaan kulman θ avulla. Kulman muutos, dθ, on pisteen P kulma-aseman muutos. Kulma-aseman muutosnopeus eli muutos ajan suhteen on kulmanopeus, ω. ω = dθ [ω] = rad s

Kulmanopeus ja -kiihtyvyys Kulmanopeuden muutos ajan suhteen on kulmakiihtyvyys, α. α = dω α = d2 θ 2 Koska ω = ω(θ) ja θ = θ(t), niin ω = ω(θ(t)). Yhdistetyn funktion derivaatasta α = dω = dω dθ dθ = dω dθ ω αdθ = ωdω Johdettiin yhtälö, joka yhdistää kulmakiihtyvyyden, kulmaaseman ja kulmanopeuden. Koska kappale on jäykkä, kaikilla kappaleen pisteillä on sama kulmanopeus ja kiihtyvyys. Siten koko kappaleella on sama kulmanopeus ja kiihtyvyys (lukuunottamatta pisteitä, jotka sijaitsevat pyörimisakselilla).

Esimerkki Vauhtipyörä pyörii kulmanopeudella ω = (4θ 1/2 ) rad/s, missä θ = rad. Määritä, kuinka pitkä aika kuluu kulmanopeuden ω = 150 rad/s saavuttamiseen. Olkoon kulmaasema alussa (t = 0) θ = 1 rad. Tehtävässä tunnetaan kulmanopeus ja halutaan ratkaista aika tietyn nopeuden saavuttamiseen. Ratkaisu saadaan kulmanopeuden yhtälöllä: Järjestellään termit ja integroidaan. = 1 ω dθ 0 t = 1 θ 1 ω dθ ω = dθ t = 1 θ 1 4 θ dθ θ = 1 2 θ 1 = 1 2 θ 1 2 Voimme ratkaista kulma-aseman lopussa, kun tunnemme kulmanopeuden lopussa. ω = 4 θ = 150 θ = (150/4) 2 = 1406.25 rad t = 1 2 1406.25 1 2 = 18.25 (s)

Käyräviivainen liike: Normaali- ja tangentiaalikomponentit (Kirjan luku 12.7) Partikkelin asema on kaaren pituus s, mitattuna kiinteästä pisteestä O. Partikkeli liikkuu tunnetulla käyräviivaisella reitillä. Määritellään (n,t)-koordinaatisto, joka liikkuu partikkelin mukana, origo partikkelissa. t-akseli on käyrän tangentin suuntainen ja sen positiivinen suunta, jota merkitään yksikkövektorilla u t, on kasvavan etäisyyden s suuntaan. n-akseli on kaarevuussäteen suuntainen ja tangenttia vastaan kohtisuorassa. Sen positiivinen suunta, jota merkitään yksikkövektorilla u n, on aina käyrän koveralle puolelle.

Pisteen liike ympyräradalla Pisteen P kulma-asema voidaan ilmoittaa kulman θ avulla. Pisteen P asema ympyräradallaan voidaan ilmoittaa rata-aseman s avulla. s = rθ Derivoimalla puolittain ajan suhteen saadaan nopeuden ja kulmanopeuden yhteys. s θ dθ ds = r dθ v = rω Nopeusvektori on aina liikeradan tangentin suuntainen: v = vu t

Pisteen liike ympyräradalla Nopeuden ja kulmanopeuden yhteys voidaan ilmoittaa myös vektorimuodossa ristitulon avulla v = ω r P Missä r P on etäisyys pyörimisakselilta pisteeseen P. v = ωr P sinφ = ωr = ω r

Pisteen liike ympyräradalla Pisteen P kiihtyvyys on nopeuden aikaderivaatta. a = v v = vu t Nopeudella on suuruus ja suunta, jotka molemmat muuttuvat ajan funktiona, kun piste liikkuu ympyräradalla. Nopeuden aikaderivaatta on tulon derivoimissäännön mukaan Dfg = fdg + gdf v = vu t + v u t Tangentin suuntaisen yksikkövektorin aikaderivaatta, u t, on u t = v r u n Kiihtyvyys on (Todistus kirjassa, luku 12.7, sekä seuraavalla kalvolla) Kiihtyvyyden komponentit Kiihtyvyyden suuruus a = vu t + v2 r u n = a t u t + a n u n a t = v a n = v2 r a = a t 2 + a n 2

*) Ei käyty luennolla Käyräviivainen liike: Normaali- ja tangentiaalikomponentit. Miksi u t = v r u n? Katso myös kirjan luku 12.7 Partikkeli liikkuu matkan ds ajassa. Tangentin suuntaisen yksikkövektorin suunta muuttuu, ja on ajan jälkeen u t. Kaaren pituutta ds vastaa infinitesimaalinen kulman muutos dθ. Yksikkövektori u t siis kiertyy kulman dθ verran ja sen suunta ajan jälkeen on u t. Yksikkövektorin muutosta kuvaa vektori du t. Vektorien summasta saadaan u t = u t + du t Vektorin du t pituus on dθ ja sen suunta ajan jälkeen on u n. du t = dθ du t = dθu n Siten du t = dθ u n = ωu n = v r u n

Pisteen liike ympyräradalla Pisteen kiihtyvyys voidaan ilmoittaa myös vektorimuodossa ristitulon avulla. Muistetaan nopeuden ja kulmanopeuden yhteys Siten kiihtyvyys on v = ω r P a = dv = d (ω r P) = dω r P + ω dr P Tulon derivaatta! Tarkastellaan ristitulotermejä = α = v = ω r P α r P = αr P sinφu t = αru t = α r = α r P + ω (ω r P ) = α r ω 2 r = a t + a n ω r P = ωr p sinφu t = (ωru t ) ω ω r P = ωr ω u t = ωr ωu n = ω 2 ru n = ω 2 r

Pisteen liike ympyräradalla Kiihtyvyyden komponentit voidaan kirjoittaa kulmanopeuden ja kiihtyvyyden avulla yhdistämällä yhtälöt. a t = v a n = v2 r v = rω α = dω Kiihtyvyyden tangentin suuntainen komponentti a t = dv = r dω = rα a t = rα Kiihtyvyyden normaalin suuntainen komponentti a n = v2 r = (rω) 2 r = ω 2 r a n = ω 2 r Kiihtyvyysvektori on siten: a = a t + a n = a t u t + a n u n = rαu t + ω 2 ru n = r α ω 2 r (kuten edellä)

Yhteenveto Pyörimisliikkeen yhtälöt Kulmaliikettä kuvaavat yhtälöt. Perusyhtälöt Kulmanopeus ω = dθ Kulmakiihtyvyys α = dω Perusyhtälöistä johdettu kulmakiihtyvyyden, -aseman ja kulmanopeuden yhteys Pisteen P liikettä ympyräradalla kuvaavat yhtälöt. Nopeus v = rω Tangentin suuntainen kiihtyvyys a t = rα Normaalin suuntainen kiihtyvyys a n = ω 2 r αdθ = ωdω

Esimerkki Pyörän kulma-asema on θ = 0.5t 3 + 15t rad, missä t = s. Määritä ämpärin nopeus ja kiihtyvyys ajanhetkellä t = 3s. P Pyörän kehällä olevan pisteen P nopeus ja tangentin suuntainen kiihtyvyys ovat yhtä suuret kuin köyden ja ämpärin nopeus ja kiihtyvyys. Ratkaistaan siis pisteen P nopeus ja tangentin suuntainen kiihtyvyys ajanhetkellä t = 3s. Ensin ratkaistaan kulmanopeus ja kulmakiihtyvyys kulma-aseman yhtälöstä. ω = dθ = d 0.5t3 + 15t = 1.5t 2 + 15 (rad/s) α = dω = d 1.5t2 + 15 = 3t (rad/s 2 ) Pisteen nopeus ja kiihtyvyys ympyräradalla saadaan kulmanopeuden ja kiihtyvyyden avulla. v = rω: v(t = 3s) = 0.2m 1.5 3 2 + 15 rad/s = 5.7 m/s a t = rα: = 1.8 m/s 2 a(t = 3s) = 0.2m 3 3 rad/s 2

Pyörimisliikkeen sovellus - hammasrattaat Hammasrattaiden kontaktipisteiden nopeus ja tangentin suuntainen kiihtyvyys ovat samat. v A = v A (a A ) t = (a A ) t ω B r B = ω C r C α B r B = α C r C (a A ) n (a A ) n a A a A

Esimerkki Moottori pyörittää ratasta A hetkellisesti vakiokulmakiihtyvyydellä α A = 4.5 rad/s 2. Alussa ratas on levossa. Määritä sylinterin C nopeus ja matka, jonka se kulkee kolmessa sekunnissa. Köysi on kierretty väkipyörän D ympärille, joka on kiinnitetty rattaaseen B. Sylinterin C nopeus ja sen kulkema matka ovat yhtä suuria kuin pisteen P nopeus ja sen kulkema matka väkipyörän D kehällä. Määritetään ensin väkipyörän D kulmakiihtyvyys ja - nopeus, joista saadaan ratkaistua kysytyt suureet. Hammasrattaat A ja B koskettavat toisiaan pisteessä P. Siten niiden kulmakiihtyvyyksien välillä on yhteys: α A r A = α B r B α B = α Ar A r B = 4.5rad/s2 (75mm) 225mm = 1.5rad/s 2 Rattaan B kulmanopeus ajanhetkellä t = 3s : α = dω α = dω 0 3 1.5 = 0 ω Bdω ωb = 4.5 ( rad s ) Sylinterin C nopeus ajanhetkellä t = 3s (= pisteen P nopeus): v = rω B = (125mm)4.5 rad = 0.5625 m s s

Esimerkki Moottori pyörittää ratasta A hetkellisesti vakiokulmakiihtyvyydellä α A = 4.5 rad/s 2. Alussa ratas on levossa. Määritä sylinterin C nopeus ja matka, jonka se kulkee kolmessa sekunnissa. Köysi on kierretty väkipyörän D ympärille, joka on kiinnitetty rattaaseen B. Ratkaistaan hammasrattaan B ja väkipyörän D kulma-asema ajanhetkellä t = 3s integroimalla kulmanopeuden yhtälöstä ω = dθ Ensin pitää lausua kulmanopeus ajan funktiona α = dω α = dω 0 t 1.5 = 0 ω dω ω = 1.5t ( rad s ) Integroidaan kulmanopeuden yhtälö ω = dθ 0 3 1.5t = 0 θ dθ θ = 0.75 3 2 = 6.75 (rad) Sylinterin kulkema matka saadaan yhtälöstä: s = rθ s C = r D θ = 125mm 6.75rad = 844 mm

Yhteenveto Tarkastelimme jäykän kappaleen rotaation kinematiikkaa Määrittelimme kinematiikan suureet: Kulma-asema Kulmanopeus Kulmakiihtyvyys ω = dθ α = dω Tarkastelimme pisteen liikettä ympyräradalla ja johdimme yhteydet pisteen liikkeen ja kulmaliikkeen välille ω ω α α v = rω a t = rα a n = ω 2 r v = ω r a = α r ω 2 r = a t + a n Sovelsimme tuloksia hammasrattaiden liikkeen laskemiseen.