1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Samankaltaiset tiedostot
1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

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

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

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

Tähtitieteessä SI-yksiköissä ilmaistut luvut ovat usein hyvin isoja ja epähavainnollisia. Esimerkiksi

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Kuva 1: Etäisestä myrskystä tulee 100 metrisiä sekä 20 metrisiä aaltoja kohti rantaa.

5-2. a) Valitaan suunta alas positiiviseksi. 55 N / 6,5 N 8,7 m/s = =

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Luvun 5 laskuesimerkit

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

2.2 Principia: Sir Isaac Newtonin 1. ja 2. laki

Luvun 5 laskuesimerkit

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Fysiikan perusteet. SI-järjestelmä. Antti Haarto

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Yksikkömuunnokset. Pituus, pinta-ala ja tilavuus. Jaana Ohtonen Språkskolan/Kielikoulu Haparanda-Tornio. lördag 8 februari 14

Kvanttifysiikan perusteet 2017

5.3 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

FYSIIKAN HARJOITUSKOE I Mekaniikka, 8. luokka

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

Fysiikka 1. Dynamiikka. Voima tunnus = Liike ja sen muutosten selittäminen Physics. [F] = 1N (newton)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

5. Numeerisesta derivoinnista

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

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

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

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

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012


Massakeskipiste Kosketusvoimat

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Integrointi ja sovellukset

Funktion derivoituvuus pisteessä

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Funktion kuvaaja ja sen tulkinta

Kappaleiden tilavuus. Suorakulmainensärmiö.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luento 9: Potentiaalienergia

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

1. Otetaan perusjoukoksi X := {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}. Piirrä seuraaville kolmelle joukolle Venn-diagrammi ja asettele alkiot siihen.

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

B. 2 E. en tiedä C ovat luonnollisia lukuja?

0. perusmääritelmiä. Lukutyypit Laskusäännöt Laskujärjestys

Muunnokset ja mittayksiköt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

1.4 Funktion jatkuvuus

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Matematiikan tukikurssi

VUOROVAIKUTUS JA VOIMA

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta

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

1.3 Kappaleen tasaisesta liikkeestä

7. Resistanssi ja Ohmin laki

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

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut.

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

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

0. perusmääritelmiä. Lukutyypit Laskusäännöt Laskujärjestys

Luento 2: Liikkeen kuvausta

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

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

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

12. Differentiaaliyhtälöt

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

1. Tarkastellaan esimerkissä 4.9 esiintynyttä neliön symmetriaryhmää

Lyhyt, kevät 2016 Osa A

Matematiikan tukikurssi

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

3 Määrätty integraali

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

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

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

1. Kuinka paljon Maan kiertoaika Auringon ympäri muuttuu vuodessa, jos massa kasvaa meteoroidien vaikutuksesta 10 5 kg vuorokaudessa.

Fysiikan olympiavalmennus, perussarja Palautus mennessä

Transkriptio:

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot 1.1 Tieteellinen esitystapa Maan ja auringon välinen etäisyys on 1 AU. AU on astronomical unit, joka määritelmänsä mukaan on maan ja auringon välinen keskimääräinen etäisyys, eli 1 AU = 149 597 870 700 m. Tarkoittaako eo. lausahdus, että maan ja auringon välinen etäisyys on 149597870700 m? (1) Tieteellisessä merkintätavassa 1 AU on paljon informaatiota: Tieto yksiköstä AU Tieto suuruudesta 1 Tieto tarkkuudesta yhden numeron tarkkuus Jos maan ja auringon välinen etäisyys oikeasti olisi edellä mainittu 149597870700 m, niin kirjoittaisimme näin Maan ja auringon välinen etäisyys on 1.000000000 AU. Tästä näkisimme välittömästi suuruuden (1), yksikön (AU) sekä uskomattoman kymmenen numeron tarkkuuden. Lukuarvojen luettavuuden vuoksi käytämme lisäksi eksponentiaalista merkintää 149597870700 m = 1.49597870700 10 11 m, (2) josta näemme välittömästi luvun suuruusluokan (10 11 ). Ymmärrämme siis kappaleen alussa olevan lausahduksen tarkoittavan, että maan ja auringon välinen etäisyys 1 AU = 1 10 11 m, josta heti nähdään etäisyyden olevan yhden numeron tarkkuudella annetun, sen suuruusluokka on 10 11 ja yksikkö on metriä. 1.2 Yksiköt Edellä maan ja auringon välinen etäisyys ilmaistiin niin astronomisissa yksiköissä (AU) kuin metreissäkin (m). Molemmat yksiköt mittaavat samaa asiaa, eli pituutta. Sopivan yksikön valinta auttaa luvun suuruuden hahmottamisessa: kumpi lausahdus paremmin auttaa hahmottamaan maan ja Marsin ratoja? tai Marsin ja auringon välinen etäisyys on 228 miljoonaa kilometriä. Marsin ja auringon välinen etäisyys on 1.52 AU. Yleisemmin pyrimme aina käyttämään tarkasteltavalle järjestelmälle luonnollisia mittayksiköitä. 1

1.3 Dimensiot Tiettyä suuretta, esimerkiksi maan ja auringon välistä etäisyyttä, voidaan kuvata millä tahansa sopivalla yksiköllä. Mitä siis tarkoittaa sopiva? Voimme mitata maan ja auringon välisen etäisyyden metreissä, vaaksoissa, tuumissa, jaardeissa tai vaikka missä muurahaisen askelluksissa. Yhteistä kuitenkin kaikille mahdollisuuksille on, että niillä voidaan kuvata pituutta. Meillä on seitsemän fundamentaalia dimensiota Pituus L Massa M Aika(väli) t (monesti tämä on T ) Lämpötila T (ja jos aika on T niin tämä on Θ) Sähkövirta I Ainemäärä N Valovoima J Kaikki fysiikan suureet (voima, kiihtyvyys, nopeus, virta, kaikki luonnonvakiot yms) pohjautuvat näiden dimensioiden yhdistelmiin ja kutakin dimensiota vastaa erilaisia yksiköitä, joissa kunkin dimension suureita voidaan mitata. Jos dimension käsite kuulostaa nyt tekniseltä ja potentiaalisesti turhalta säädöltä, niin kohta huomaamme sen olevan itseasiassa äärimmäisen hyödyllinen! Palataan vielä kuitenkin hetkeksi ensimmäiseen lausahdukseen Maan ja auringon välinen etäisyys on 1 AU. Lausahduksesta voimme päätellä seuraavaa Etäisyys ilmaistaan lausahduksessa astronomisissa yksiköissä. Astronomisella yksiköllä mitataan pituuksia, joten etäisyyden dimensio on pituus. Maan ja auringon välisen etäisyyden suuruus on 1 AU. Tiedämme etäisyyden yhden numeron tarkkuudella. 2

Kuva 1: Vakionopeudella v liikkuva m-massainen kappale. 2 Dimensioanalyysiä 2.1 Alkulämmittelyä dimensioanalyysiin Kuvan 1 kappale liikkuu vakionopeudella v. Ajassa t se liikkuu matkan s(t) = vt. (3) Määritellään merkintä [O] = suureen O dimensio. Nyt siis [s(t)] = L (4) [v] = L/t (5) [t] = t, (6) missä siis L on pituuden dimensio, t ajan dimensio ja johdannaissuureena L/t on nopeuden dimensio. Nähdään selvästi, että pätee [s(t)] = L = L t = [v] [t]. (7) t Fysiikassa kaikki yhtälöt (luonnonlait) ovat dimensionaalisesti homogeenisia, eli yhtälön molemmilla puolilla kaikki termit omaa saman dimension. Esim. Newtonin II laki jousen (jousivakio κ) varassa roikkuvalle kappaleelle (massa m) Yhtälön eri termien dimensiot ovat ma = F = mg κx. (8) [ma] = [m] [a] = M L t 2 = ML t 2 (9) [mg] = [m] [g] = M L t 2 = ML t 2 (10) [κx] = [κ] [x] = [κ] L. (11) Kahdella ensimmäisellä (ma ja mg) on selvästi sama dimensio. Myös viimeisellä on oltava sama dimensio, jotta yhtälö olisi dimensionaalisesti homogeeninen. Voimme siis päätellä, että jousivakion dimension on oltava [κ] = ML t 2 1 L = M t 2, (12) ja todellakin, jousivakio voidaan ilmaista yksiköissä kg/s 2 joskin yleisemmin käytetään yksikköä N/m (Newton per metri). 3

2.2 Funktiot ja dimensiot Potenssifunktiota x n lukuunottamatta kaikkien funktioiden f(x) argumenttien x on oltava dimensiottomia. Ei siis ole mielekästä kysyä mikä on sin(5 kg)? (13) Pohjimmiltaan tämä palautuu eo. dimensionaaliseen homogeenisuuteen, sillä funktioita voidaan esittää ns. potenssisarjakehitelmillä. Esimerkiksi: e x = 1 + x + x2 2! + x3 3! +... (14) Koska kaikkien oikeanpuoleisten termien on oltava samaa dimensiota, ja ensimmäinen termi on pelkkä luku (1), on myös x:n oltava dimensioton, eli pelkkä luku. Palataan hetkeksi vielä kuvan 1 vakionopeudella liikkuvaan kappaleeseen. Kappaleen ajassa t kulkema matka oli s(t) = vt. (15) Kuljettu matka s on ajan t funktio. Koska ajalla t on dimensio (sen dimensio on aika!) ja olemme epäsuorasti olettaneet, että kuljettu matka ei riipu mistään muusta suureesta, on kuljetun matkan oltava jokin ajan potenssifunktio. Lyhyt s:n, v:n ja t:n dimensioiden tarkastelu näyttääkin heti, että itseasiassa yhtälössä (15) oleva muoto on ainoa mahdollinen yhdistelmä, joka on dimensionaalisesti homogeeninen. Kuljettu matka ei siis voi riippua esimerkiksi ajan toisesta potenssista. Nyt meillä on tarvittavat käsitteet varsinaiseen dimensioanalyysiin! 4