= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

Samankaltaiset tiedostot
Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

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

1 Oikean painoisen kuulan valinta

Gravitaatio ja heittoliike. Gravitaatiovoima Numeerisen ratkaisun perusteet Heittoliike

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

on hidastuvaa. Hidastuvuus eli negatiivinen kiihtyvyys saadaan laskevan suoran kulmakertoimesta, joka on siis

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Pietarsaaren lukio Vesa Maanselkä

MAA2.3 Koontitehtävät 2/2, ratkaisut

v = Δs 12,5 km 5,0 km Δt 1,0 h 0,2 h 0,8 h = 9,375 km h 9 km h kaava 1p, matkanmuutos 1p, ajanmuutos 1p, sijoitus 1p, vastaus ja tarkkuus 1p

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Liikkeet. Haarto & Karhunen.

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

3 Määrätty integraali

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Luvun 5 laskuesimerkit

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

MEKANIIKAN TEHTÄVIÄ. Nostotyön suuruus ei riipu a) nopeudesta, jolla kappale nostetaan b) nostokorkeudesta c) nostettavan kappaleen massasta

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

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

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Harjoitus 5 -- Ratkaisut

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

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Luvun 5 laskuesimerkit

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Shrödingerin yhtälön johto

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Laskuvarjohyppy. painovoima, missä on maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys, sekä ilmanvastus, jota arvioidaan yhtälöllä

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Mekaniikkan jatkokurssi

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

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

Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

E 3.15: Maan pinnalla levossa olevassa avaruusaluksessa pallo vierii pois pöydän vaakasuoralta pinnalta ja osuu lattiaan D:n etäisyydellä pöydän

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

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

5.3 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Luento 5: Käyräviivainen liike

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Matematiikan tukikurssi

laskuv.nb 1 Laskujen aluksi on syytä hävittää mahdollisista aiemmista laskuista jääneet muuttujat.

Muunnokset ja mittayksiköt

3.3 Paraabeli toisen asteen polynomifunktion kuvaajana. Toisen asteen epäyhtälö

Differentiaalilaskenta 1.

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

Luento 6: Liikemäärä ja impulssi

Sarake 1 Sarake 2 Sarake 3 Sarake 4. Vahvistumisen jälkeen tavaran hinta on 70. Uusi tilavuus on

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Luvun 10 laskuesimerkit

Luento 3: Käyräviivainen liike

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

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

12. Differentiaaliyhtälöt

MEI Kontinuumimekaniikka

Luento 5: Käyräviivainen liike

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

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

Liikemäärä ja voima 1

FYSIIKKA. Mekaniikan perusteita pintakäsittelijöille. Copyright Isto Jokinen; Käyttöoikeus opetuksessa tekijän luvalla. - Laskutehtävien ratkaiseminen

Dissipatiiviset voimat

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Kertauskysymyksiä. KPL1 Suureita ja mittauksia. KPL2 Vuorovaikutus ja voima. Avain Fysiikka KPL 1-4

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

Integrointi ja sovellukset

MAA10 HARJOITUSTEN RATKAISUJA

Havainnoi mielikuviasi ja selitä, Panosta ajatteluun, selvitä liikkeen salat!

Luvun 8 laskuesimerkit

4 TOISEN ASTEEN YHTÄLÖ

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

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

y + 4y = 0 (1) λ = 0

1.4. VIRIAALITEOREEMA

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

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

Transkriptio:

t. 1 Auringon ja kuun kohdistamat painovoimat voidaan saada hyvin tarkasti laksettua Newtonin painovoimalailla, koska ne ovat pallon muotoisia. Junalle sillä saadaan selville suuruusluokka, joka riittää selvittämään voimien suuruusjärjestyksen. Painovoimalaki: F = G Mm r Kaavassa on joitain muuttujia, joita emme tiedä tarkasti: Auringon etäisyys muuttuu Maan pyöriessä itsensä ympäri ja maan ollessa eri etäisyyksillä Auringosta. Samoin Kuun etäisyys muuttuu. Nämä eivät ole mittaskaalaan nähden kovinkaan merkittäviä muutoksia ja suuruus järjestyksen saakin laskettua käyttämällä Maan etäisyyttä Auringosta ja Kuusta. Junan massaakaan ei ole kerrottu tehtävänannossa, joten arvioin sen olevan noin 3,1 10 6 kg F A = G M Am ra F K = G M Km rk F J = G M Jm r J = 6,674 10 11 Nm /kg 1.988 1030 kg 71kg (1,507 10 11 m) 4 10 1 N = 6,674 10 11 Nm /kg 7,346 10 kg 71kg (3,76 10 8 m) 10 3 N = 6,674 10 11 Nm /kg 3,1 106 kg 71kg (100m) 1 10 6 N Aurinko vaikuttaa voimakkaimmin. Mahdollista ekstrapohdittavaa: Miksi Kuu aiheuttaa voimakkaammin vuoroveden kuin Aurinko, vaikka se kohdistaa heikomman voiman? 1

Tehtävä Kiinnitetään koordinaatisto siten, että tutkija on origossa ja x-akseli kasvaa oikealle ja y-akseli ylöspäin mentäessä. Tiedetään, että kiihtyvyys on nopeuden aikaderivaatta, ja nopeus paikan. Tätä tietoa apuna käyttäen saadaan integroitua paikan ja nopeuden yhtälöt kun tiedetään kiihtyvyys, lähtönopeus ja lähtöpaikka: dv dt = a v = at + v 0 dr dt = v r = 1 at + v 0 t + r 0 Nyt voimme määrittää tähän tapaukseen liittyvät nopeudet ja paikan. Nuoli on laukaisun jälkeen vapaassa pudotuksessa, joten sen nopeus on v(t) = v 0xˆx + (v 0y gt)ŷ, ja paikka, kun origona on tutkija, on r(t) = v 0x tˆx + (v 0y t 1 gt )ŷ. Olkoon apinan korkeus aluksi y 0 ja etäisyys x-suunnassa d. Tällöin nuoli saapuu apinan kohdalle hetkellä t 1 = d/v 0x. Apinaan tähtääminen taas merkitsee sitä, että v 0y t 1 = y 0, eli ilman putoamiskiihtyvyyttä nuoli osuisi apinaan. Apina kuitenkin putoaa, joten sen sijainti on r apina (t) = dˆx + (y 0 1 gt )ŷ. Nuolen sijainti kun se on saapunut apinan kohdalle taas on r(t 1 ) = v 0x t 1 + (v 0y t 1 1 gt 1 ) = d + (y 0 1 gt 1 ) = r apina (t 1 ), eli nuoli osuu apinaan.

1 Tehtävä 4 15 kg massainen kuvaputkitelevisio pudotetaan 35 m korkuisesta hotellihuoneesta Maaplaneetalla. Selvitetään, kauan television putoamisessa kestää. a. Oletetaan, että ilmanvastuksen vaikutus on pieni. Tällöin televisioon vaikuttaa vain painovoima, jonka seurauksena se on tasaisesti kiihtyvässä putoamisliikkeessä. Näin voimme muodostaa lausekkeen sen kiihtyvyydelle, ja integroimalla kahdesti ajan suhteen saamme paikan lausekkeen, joka lienee tuttu lukiosta. Koska tehtävä on yksiulotteinen, suunta selviää etumerkistä: a(t) = g h(t) = g dt = gt + v 0 dt = 1 gt + v 0 t + h 0 h(t) = h 0 1 gt v 0 on alkuehtojen perusteella 0, joten sen kantaminen lausekkeessa on turhaa. Nyt, kun meillä on television korkeuden lauseke, ratkaistaan t. h(t) = h 0 1 gt 0 = h 0 1 gt 1 gt = 35m t = 70m g 70m t = g t =, 671s

b. Oletetaan muotoa D = bv oleva ilmanvastus, jossa b = 0, 1Ns /m. Newtonin II lain mukaan television kiihtyvyyttä voidaan kuvata lausekkeella F = m a G + D = m a m g bv v = m a a(t) = b m v(t) g Differentiaaliyhtälön ratkaisemisen sijaan käytetään numeerista menetelmää putoamisajan ratkaisemiseen. Valitaan aika-askeleksi yksi sekunti ja aproksimoidaan kiihtyvyyden ja nopeuden olevan vakio tämän aika-askelen yli. Tiedetään siis, että kappaleen nopeus on v(t + t) = v(t) + a(t) t, ja paikkaa siten kuvaa lauseke h(t + t) = h(t) + v(t)+v(t+ t) t (Käytetään uuden ja vanhan nopeuden keskiarvoa tarkkuuden parantamiseksi). Näin voidaan ketjuttaa kiihtyvyys-, nopeus- ja paikkalaskuja, kunnes televisio on pudonnut maahan (h = 0m). Käydään toimeen: h(0s) = 35m v(0s) = 0 m s a(0s) = g = 9, 81 m s v(1s) = v(0s) + a(0s) t = 0 m s 9, 81m s 1s = 9, 81m s v(0s) + v(1s) h(1s) = h(0s) + t = 35m 4, 905 m 1s = 30, 095m s a(1s) = b m v(1s) g = 0, 1Ns /m ( 9, 81 m 15kg s ) 9, 81 m s = 9, 04m s v(s) = 18, 85 m s h(s) = 30, 095m + 9, 81 m s 18, 85 m s 1s = 15, 765m a(s) = 6, 97 m s v(3s) = 5, 8 m s h(3s) = 6, 57m Huomataan, että televisio on iskeytynyt maahan. Loppuvauhdin ja yli menneen matkan perusteella arvioidaan, että putoamisessa kesti kokonaisuudessaan,73s. Pystymme kyllä parempaan.

3 Millisekkunnin aika-askel on epäinhimillinen fyysikolle, mutta python-ohjelmalle se on arkipäivää. Pythonin osaamista ei odoteta vielä, ja vaihtoehtoisia koneellisia ratkaisuja voi tehdä muilla koodikielillä tai taulukko-ohjelmilla (Excel, OpenOffice, etc.) import matplotlib.pyplot as mpl #Ladataan kuvaajan piirtämiseen paketti m=15.0 #Luodaan tarvittavat muuttujat ja listat h=35.0 g=-9.81 b=0.1 a=0.0 v1=0.0 v=0.0 dt=0.001 T=0.0 ajanhetket=[] korkeudetvastuksella=[] korkeudeteivastusta=[] while h>0: #Luodaan looppi, joka hoitaa laskemisen a=g+b/m*v1** v=v1+dt*a h=h+(v1+v)/*dt T=T+dt korkeudetvastuksella.append(h) korkeudeteivastusta.append(35+0.5*g*t**) ajanhetket.append(t) v1=v print Putoamisaika ilmanvastuksella:,t, s #Tulostetaan vastaus mpl.plot(ajanhetket,korkeudeteivastusta, r- ) #Piirretään kuvaaja mpl.plot(ajanhetket,korkeudetvastuksella, b- ) mpl.ylim(0,36) mpl.grid() mpl.xlabel( t(s) ) mpl.ylabel( h(m) ) mpl.savefig( VuKaLaskaritTehtava4.pdf ) mpl.show()

4 Yllä oleva koodi myöskin piirtää tehtävässä pyydetyn kuvaajan. 35 30 5 h(m) 0 15 10 5 0 0.0 0.5 1.0 1.5.0.5 3.0 t(s) Kuva 1: Tehtävässä pyydetty kuvaaja, jossa television korkeus ajan funktiona. Punainen käyrä on putoaminen ilman vastusvoimaa, sinisessä vastusvoima mukana.