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

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

Luento 3: Käyräviivainen liike

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luento 3: Käyräviivainen liike

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 5: Käyräviivainen liike

Luento 5: Käyräviivainen liike

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 2: Liikkeen kuvausta

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

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

4 Kaksi- ja kolmiulotteinen liike

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

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

Liikkeet. Haarto & Karhunen.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

1. a) b) Nollakohdat: 20 = c) a b a b = + ( a b)( a + b) Derivaatan kuvaajan numero. 1 f x x x g x x x x. 3. a)

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

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

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

Liikemäärä ja voima 1

Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Luento 11: Periodinen liike

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

Funktion derivoituvuus pisteessä

8 Suhteellinen liike (Relative motion)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Differentiaalilaskenta 1.

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

DYNAMIIKKA II, LUENTO 4 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

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

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

KALTEVA TASO. 1. Työn tavoitteet. 2. Teoria

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Mekaniikka, osa 2. Perttu Lantto. Luentokalvot

Integrointi ja sovellukset

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

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

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Shrödingerin yhtälön johto

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Tekijä Pitkä matematiikka

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

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

Mekaniikkan jatkokurssi

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

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

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Luento 10: Työ, energia ja teho

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

11 MATEMAATTINEN ANALYYSI

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

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Ratkaisuja, Tehtävät

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

Matematiikan tukikurssi

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Transkriptio:

766323A Mekaniikka Mansfield and O Sullivan: Understanding physics kpl 1 ja 2. Näitä löytyy myös Young and Freedman: University physics -teoksen luvuissa 2 ja 3, s. 40-118. Johdanto Fysiikka on perustiede. Monet muut luonnontieteet perustuvat fysiikkaan. Tekniset tieteet soveltavat fysiikkaa lähes kaikkialla. Jotta näin voidaan tehdä, on ymmärrettävä fysiikkaa ja sen lakeja. Fysiikan opiskelu on seikkailu: - haastavaa - frustroivaa - joskus tuskallista - myös tyydytystä tuottavaa Fysiikan luonne Fysiikka on kokeellinen luonnontiede. Se tutkii luontoa ja pyrkii löytämään säännönmukaisuuksia eri ilmiöille periaatteita, lakeja, teorioita. Fysiikka ei ole vain joukko totuuksia ja periaatteita. Se on prosessi, jonka avulla päästään yleisiin periaatteisiin, jotka kuvaavat fysikaalisen maailmankaikkeuden käyttäytymistä! Fysiikka ei kerro lopullisia totuuksia. Jokin uusi havainto voi vaatia muuttamaan teorioita. - Jos teorioissa on puutteita, niitä on korjattava. - Kullakin teorialla on oma pätevyysalueensa. - Emme voi todistaa, että jokin teoria olisi oikea aina ja ikuisesti! Idealisoidut mallit Lähes kaikki fysiikan lausekkeet ovat idealisoituja malleja. Niitä on helpompi käyttää todellisissa tilanteissa, jotka muuten olisivat liian monimuktkaisia käsiteltäväksi. Esimerkiksi pallon heitto pihalla: 1

pallo massapiste ilma ei ole ei ilmanvastusta tuuli ei tuule painovoima vakio maa ei pyöri... 1 Fysikaalisen maailmankuvan ymmärtäminen - Nykypäivän ilmiöt ovat tyydyttävästi ymmärrettävissä klassisen fysiikan avulla - 1600-1800 -lukujen keksinnöt eivät ole menettäneet merkitystään Yrittäkääpä selittää nykypäivän ilmiöitä jollekin modernin fysiikan avulla! - Tällä kurssilla relativistinen fysiikka otetaan esille mahdollisuuksien mukaan - Kirjassa on useita referenssejä - jonkin verran matemaattista opastusta - kohtuullisesti harjoitustehtäviä - Kurssi rohkaisee ja antaa eväitä pitemmälle meneviin opintoihin 1.1 Fysikaalinen maailmankaikkeus - koostuu aineesta - aine koostuu perushiukkasista: atomeista ja molekyyleistä - nämä koostuvat ytimistä ja elektroneista - ytimet koostuvat kvarkeista - aineen rakennuselementeillä on vain neljänlaisia vuorovaikutuksia - vahva vuorovaikutus: < 10 15 m - sähkömagneettinen vuorovaikutus: ulottuu kauas - heikko vuorovaikutus: < 10 18 m - gravitaatio vuorovaikutus: ulottuu kauas 2 Lineaarinen ja käyräviivainen liike Liike yleensä: 2

Kinematiikka tarkastelee kappaleen liikettä avaruudessa ja ajassa. Liikettä on kolmenlaista: - etenevä liike eli translaatioliike: kappaleen kaikki osat kokevat saman paikanmuutoksen - pyörimisliike eli rotaatioliike: kappaleen suunta avaruudessa muuttuu - värähtelyliike eli vibraatioliike: kappaleen muoto tai koko muuttuu rytmisesti 2.1 Translaatioliike Hiukkanen: Mitä tahansa kappaletta voidaan kuvata hiukkasella, jolla on kappaleen massa ja jonka paikka on kappaleen massakeskipisteen paikka! Paikka: Hiukkasen paikka tulee voida esittää yksikäsitteisellä tavalla. Siksi meidän tulee ensin valita koordinaatisto, jossa esitämme hiukkasen paikan. Olkoon koordinaatisto origoon O kiinnitetty suorakulmainen oikeakätinen koordinaatisto, jonka akselit olkoot x-, y-, ja z-akseli. - Translaatioliike eli etenevä liike eli lineaarinen liike - Etenevää liikettä voidaan kuvata kappaleen minkä tahansa pisteen avulla - Kappaletta tarkastellaan hiukkasina tai massapisteinä. 2.4 Lineaarisen liikkeen nopeus ja kiihtyvyys 2.4.1 Nopeus (velocity) Liikkuvan hiukkasen ominaisuuksia voidaan kuvailla kvantitatiivisilla suureilla siirtymä ja aika - liikkukoon hiukkanen pitkin x-akselia Sen siirtymä (displacement) x = x loppu x alku Siirtymä riippuu vain alku- ja loppupisteistä, ei kuljetusta matkasta. Hiukkasen nopeus = siirtymä siirtymään käytetty aika Jos siirtymää merkitään x:llä ja aikaeroa t:llä, saadaan hiukkasen keskimääräinen nopeus 3

v = x t Koska t on positiivinen on v:n merkki sama kuin x:n merkki Keskimääräisen nopeuden SI yksikkö on siten [v] = [x] [t] = m s Keskimääräistä nopeutta voidaan käyttää harvoin hyväksi Tietyllä hetkellä saadaan hetkellinen nopeus, joka on x v = lim t 0 t eli v = dx = ẋ Nopeus on paikan derivaatta ajan suhteen Nopeuden yksikkö on [v] = m s Jos hiukkasen paikka voidaan kuvata funktiolla, esim. x = x(t) = At + Bt 2, missä A ja B ovat vakioita, saadaan v yksinkertaisesti derivoimalla x(t):n lauseke ajan t suhteen. Graafisesti saamme nopeuden funktion x(t) kuvaajasta (x, t)-koordinaatistoon piirretyn käyrän kulmakertoimesta ajan hetkellä t 2.4.2 Kiihtyvyys (acceleration) Hiukkasen keskimääräinen kiihtyvyys on a = v t Keskimääräisen kiihtyvyyden SI yksikkö on siten [a] = [v] [t] = m s 2 Myös keskimääräistä kiihtyvyyttä voidaan käyttää harvoin hyväksi 4

Tietyllä hetkellä saadaan hetkellinen kiihtyvyys, joka on v a = lim t 0 t eli a = dv = d ( ) dx = d2 x 2 = ẍ Kiihtyvyys on nopeuden derivaatta ajan suhteen ja toisaalta paikan toinen derivaatta ajan suhteen Kiihtyvyyden yksikkö on [a] = m s 2 Jos hiukkasen paikka kuvataan edellisellä funktiolla x = x(t) = At + Bt 2, saadaan a derivoimalla x(t):n lauseke kahdesti ajan t suhteen. Graafisesti saamme kiihtyvyyden funktion v(t) kuvaajasta (v, t)-koordinaatistoon piirretyn käyrän kulmakertoimesta ajan hetkellä t. 2.5 Matka ja nopeus integroimalla Olkoon meillä kuvaaja v(t) eli nopeus ajan funktiona. Liikumme pisteestä A (hetkellä t 1 ) pisteeseen B (hetkellä t 2 ). Olkoon nopeus vakio: Jos keskimääräinen nopeus v tunnetaan, saadaan siirtymä x = v t, missä t = t 2 t 1 Siirtymä saadaan siten kuvaajasta pinta-alana v t Nopeus ei ole yleisesti vakio: t 0 niin v v 5

ja dx = v Tällöin matka saadaan integroimalla käyrän v alle jäävä pinta-ala. Matka = x2 x 1 dx = 2 t 1 v(t) (a) Lineaarinen liike kun nopeus on vakio Tällöin nopeus v = vakio Koska saadaan dx = v v = dx Integroidaan matka x o :sta x:ään ja aika t o :sta t:hen x x o dx = v t 0 jolloin saadaan x x o = v(t t o ) ja x = x o + v(t t o ) (b) Lineaarinen liike tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä Tällöin kiihtyvyys a = vakio Koska saadaan dv = a a = dv Integroidaan nopeus v o :sta ajanhetkellä t o v:hen ajanhetkellä t jolloin saadaan v v o = a(t t o ) ja v = v o + a(t t o ) Integroidaan v edelleen. Edellinen lauseke on v = dx = v o + at at o 6

jolloin x dx = (v o + at at o ) = x o t o v o + at t o t o t o at o josta x saadaan ratkaistuksi (käy itse läpi) x = x o + v o (t t o ) + 1 2 a(t t o) 2 Aika voidaan vielä eliminoida. Sijoitetaan (t t o ) = (v v o )/a edelläolevaan yhtälöön. Tästä saadaan ei-niin-kovin-hyödyllinen-yhtälö v 2 = v 2 o + 2a(x x o ) Jos alkuhetkellä t o = 0, x = x o ja v = v o, saadaan hiukan yksinkertaisemmat, mutta tärkeät lausekkeet: x = x o + v o t + 1 2 at2 v = v o + at (c) Pystysuuntainen liike Maan vetovoimakentässä Maan pinnan lähellä oleva pystysuuntainen liike on tasaisesti kiihtyvää, sillä kiihtyvyys a = g, missä g on vapaan kappaleen putoamiskiihtyvyys eli 9,81 m/s 2 alaspäin. Tällöin y = y o + v oy t 1 2 gt2 v = v oy gt Erilaisia kiihtyvyyksiä verrataan usein g:hen 2.6 Fysikaalisen muuttuja minimi- ja maksimiarvo Yleisesti fysikaalisen muuttujan, esim. x(t) ääriarvo löydetään derivaatan nollakohdan avulla. Katsotaan tästä yksi esimerkki. 7

2.7 Ympyräliike (Angular motion) Ympyräliike liittyy rotaatio- eli pyörimisliikkeeseen. Se koetaan usein vaikeaksi. Se kytkeytyy analogisella tavalla lineaariseen liikkeeseen. Kulmasymbolit merkitään usein kreikkalaisilla kirjaimilla. Kulma θ (angle) Valitaan kiinteä piste C ja toinen piste P. Tällöin CP on jana: esim. ympyrän säde Jos säde CP pyörähtää pisteen C ympäri suunnasta CP suuntaan CP, sanomme muutosta kulmasiirtymäksi eli lyhyesti kulmaksi ja sitä merkitään yleisesti theta-kirjaimella θ, joskus myös fii-kirjaimella ϕ. Kulman positiivinen suunta on vastapäivään (ccw, counter clockwise) Jos CP pyörähtää ympäri ympyrä C on pyörähdysakseli tai ympyrän keskipiste Kulmanopeus ω (angular velocity) Jos CP pyörähtää kulman θ = θ 2 θ 1 ajassa t = t 2 t 1, saadaan keskimääräiseksi kulmanopeudeksi ω = θ t Hetkellinen kulmanopeus saadaan vastaavasti ω = dθ = θ kulmanopeus on siis kulman derivaatta ajan suhteen Kulmakiihtyvyys α (angular acceleration) Jos CP:n kulmanopeus muuttuu, puhutaan kulmakiihtyvyydestä, jolloin α = dω = d ( ) dθ = d2 θ = θ = ω 2 kulmakiihtyvyys on siis kulmanopeuden derivaatta ajan suhteen 8

Yleiset lausekkeet pyörimisliikkeelle ovat siten θ = θ o + ω o t + 1 2 αt2 ω = ω o + αt Yksiköt Kulman yksikkö on radiaani [θ] = Kaaren pituus Säde = s R radiaania - täysikulma on siten 2π radiaania Kulmanopeuden yksikkö on radiaania sekunnissa ω = dθ = d ( ) ( ) s 1 ds = R R [ω] = v R radiaania/s Ympyrän kehällä olevan nopeuden ja kulmanopeuden välinen relaatio on v = ω R Kulmakiihtyvyyden yksikkö on radiaania/sekunti 2 α = d2 θ = d ( ) d s = d ( ) ( ) 1 ds 1 d 2 2 R R = s R 2 [α] = a R radiaania/s2 Ympyrän kehällä olevan kiihtyvyyden ja kulmakiihtyvyyden välinen relaatio on a = α R 9

Kulma ja kulmanopeus integroimalla (a) Tasainen ympyräliike Tällöin kulmanopeus ω = vakio Koska saadaan dθ = ω ω = dθ Integroidaan kulma θ o :sta θ:aan ja aika t o :sta t:hen θ θ o dθ = ω t 0 jolloin saadaan θ θ o = ω(t t o ) ja θ = θ o + ω(t t o ) (b) Tasaisesti kiihtyvä pyörimisliike Tällöin kulmakiihtyvyys α = vakio Koska saadaan dω = α α = dω Integroidaan nopeus ω o :sta ajanhetkellä t o ω:aan ajanhetkellä t jolloin saadaan ω ω o = α(t t o ) ja ω = ω o + α(t t o ) Integroidaan ω edelleen. Edellinen lauseke on jolloin ω = dθ = ω o + αt αt o θ dθ = (ω o + αt αt o ) = θ o t o ω o + αt t o t o t o αt o josta saadaan θ ratkaistuksi 10

θ = θ o + ω o (t t o ) + 1 2 α(t t o) 2 Jos alkuhetkellä t o = 0, θ = θ o ja ω = ω o, saadaan hiukan yksinkertaisemmat lausekkeet: θ = θ o + ω o t + 1 2 αt2 ω = ω o + αt 11