Układy cząstek i bryła sztywna. Matematyka Stosowana

Podobne dokumenty
III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

Bryła sztywna. Matematyka Stosowana

Wykład 7: Układy cząstek. WPPT, Matematyka Stosowana

Opis ruchu obrotowego

Podstawy fizyki sezon 1 V. Pęd, zasada zachowania pędu, zderzenia

będzie momentem Twierdzenie Steinera

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Siły oporu prędkość graniczna w spadku swobodnym

Podstawy fizyki wykład 4

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Podstawy fizyki wykład 4

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

VII.1 Pojęcia podstawowe.

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Bryła sztywna. zbiór punktów materialnych utrzymujących stałą odległość między sobą. Deformująca się piłka nie jest bryłą sztywną!

Dynamika Newtonowska trzy zasady dynamiki

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

Podstawy fizyki sezon 1 IV. Pęd, zasada zachowania pędu

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Zasady dynamiki Newtona

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

12 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ I. a=εr. 2 t. Włodzimierz Wolczyński. Przyspieszenie kątowe. ε przyspieszenie kątowe [ ω prędkość kątowa

Ciało sztywne i moment bezwładności Ciekawe przykłady ruchu obrotowego Dynamika ruchu obrotowego Kinematyka ruchu obrotowego Obliczanie momentu

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

v 6 i 7 j. Wyznacz wektora momentu pędu czaski względem początku układu współrzędnych.

R o z d z i a ł 4 MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Wykład 5: Praca i Energia. Matematyka Stosowana

Łamigłówka. p = mv. p = 2mv. mv = mv + 2mv po. przed. Mur zyskuje pęd, ale jego energia kinetyczna wynosi 0! Jak to jest możliwe?

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 9

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Ruch pod wpływem sił zachowawczych

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

1. Kinematyka 8 godzin

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

Zasady oceniania karta pracy

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Wyznaczanie momentów bezwładności brył sztywnych metodą zawieszenia trójnitkowego

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

MECHANIKA 2 Wykład Nr 9 Dynamika układu punktów materialnych

Bryła sztywna Zadanie domowe

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 9 1.XII Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

MECHANIKA II. Dynamika układu punktów materialnych

I zasada dynamiki Newtona

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Wykład 3 Ruch drgający Ruch falowy

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Prawa ruchu: dynamika

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

Fizyka elementarna materiały dla studentów. Części 9, 10 i 11. Moment pędu. Moment bezwładności.

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Oddziaływania te mogą być różne i dlatego można podzieli je np. na:

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Dynamika ruchu obrotowego

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

Zasada zachowania energii

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Wykład Energia kinetyczna potencjalna 4.2. Praca i moc 4.3. Zasady zachowania DYNAMIKA

Zadanie na egzamin 2011

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

Zadania z fizyki. Wydział PPT

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 7

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Transkrypt:

Układy cząstek i bryła sztywna Matematyka Stosowana

Jak odpowiesz na pytania? Honda CRV uderza w Hondę Civic jak będzie wyglądał wypadek? Niewiele wiemy zwykle o siłach Układy zachowawcze i dyssypatywne Zasady zachowania są niezwykle ważne w fizyce!

Pęd to bardzo ważna wielkość dla układu oddziałujących cząstek! Ԧp m Ԧv Druga zasada dynamiki: d Ԧv d Ԧp ԦF = m = dt dt Ciało A na B: ԦF AB = d Ԧp B dt Ciało B na A: ԦF BA = d Ԧp A dt

III Zasada Dynamiki Newtona 1:39 ԦF AB = ԦF BA Ciało A na B: ԦF AB = d Ԧp B dt Ciało B na A: ԦF BA = d Ԧp A dt ԦF AB + ԦF BA = d Ԧp B dt + d Ԧp A dt = 0 d( Ԧp B+ Ԧp A ) = 0 dt

Przykład Strzelec trzyma swobodnie karabin o masie m K. Strzela poziomo pociskiem o masie m P z prędkością v Px względem ziemi. Jaka jest prędkość odrzutu karabinu v Kx? Przed: p X1 = (m K + m P ) 0 Po: p X2 = m K v KX + m P v Px v Kx =? m K m K v KX + m P v Px = 0 v KX = m P v Px /m K m p v Px

Przykład Ocena wyniku v KX = m P v Px /m K Spodziewamy się odrzutu w kierunku przeciwnym do strzału Jednostki się zgadzają Gdyby masa pocisku była bardzo mała to odrzut też mały

Jak rozwiązywać zadania? Analiza Suma sił w układzie = 0 pęd zachowany? Każdy obiekt potraktuj jak punkt materialny Narysuj sytuację przed zdarzeniem i po uwzględniając siły Zaznacz na rysunku odpowiednie wielkości (kąty, składowe, itp.) i podpisz Narysuj układ współrzędnych Zidentyfikuj poszukiwaną wielkość!

Zderzenia pęd zachowany Zderzenia sprężyste: energia kinetyczna zachowana Zderzenia niesprężyste: straty energii kinetycznej Zderzenia doskonale niesprężyste: końcowa prędkość obu ciał identyczna

Przykład: Zderzenie niesprężyste (doskonale) m A v A1 + m B v B1 = (m A + m B ) v 2 v 2 = m Av A1 + m B v B1 m A + m B Co się dzieje z energią kinetyczną? Przykład: początkowo B w spoczynku K 1 = m 2 Av A1 2, K 2 = m Av 2 2 K 2 K 1 = 2 m A + m 2 Bv 2 2 m A + m B

Pytanie: dlaczego takie zderzenie nazywa się doskonale niesprężystym? Kule A i B o masach odpowiednio m A oraz m B poruszają się wzdłuż osi x z prędkościami v A i v B. Udowodnij, ze maksymalna strata energii przy zderzeniu zajdzie wówczas, gdy po zderzeniu kule będą się poruszały z tymi samymi prędkościami. Czy dla dowolnych mas i prędkości początkowych kul możliwe jest zderzenie doskonale sprężyste? Jeśli nie to pokaż jakie warunki musza być spełnione, żeby takie zderzenie mogło zajść.

Środek masy (ciężkości) m 1 m 2 x 1 x śm x 2 x śm = m 1x 1 + m 2 x 2 m 1 + m 2 x śm = 1 M i m i x i x śm = 1 M xdm

Analogia: średnia = środek ciężkości

Środek masy (ciężkości) Ԧr śm = m 1 Ԧr 1 + m 2 Ԧr 2 + m 3 Ԧr 3 + m 1 + m 2 + m 3 + = σ i=1 N m i Ԧr i σ N = 1 i=1 m i M m i Ԧr i i Ԧr śm = 1 M Ԧrdm

Stabilność i środek masy Stabilność wzrasta: Niżej położony środek masy Większa podstawa http://www.schoolphysics.co.uk/age11-14/mechanics/statics/text/stability_/index.html

Środek masy (ciężkości) Ԧr śm = m 1 Ԧr 1 + m 2 Ԧr 2 + m 1 + m 2 + N = σ i=1 N m i Ԧr i σ N = 1 i=1 m i M i=1 m i Ԧr i

Ruch środka masy r śm = 1 M i m i r i Ԧv śm = d Ԧr śm dt = 1 M d σ dt i=1 N m i Ԧr i = 1 σ M i=1 N Ԧv i m i d Ԧr i dt N N Ԧv śr = 1 M i=1 m i Ԧv i M Ԧv śm = m i Ԧv i = P i=1

Ruch środka masy r śm = 1 M i m i r i N Ԧv śr = 1 M i=1 N m i Ԧv i M Ԧv śm = i=1 m i Ԧv i = P Ԧa śm = d Ԧv śr dt N = 1 M i=1 d Ԧv i m i dt = 1 N M i=1 m i Ԧa i N M Ԧa śm = i=1 m i Ԧa i = ԦF i = ԦF zewn

Ruch środka masy Jeżeli na ciało (zbiór cząstek) działają siły zewnętrzne to środek masy porusza się tak, jakby skupiona w nim była cała masa i jakby działała na niego siła wypadkowa.

Równanie Newtona dla środka masy ԦF zewn = M Ԧa śm = M d Ԧv śm dt = dm Ԧv śm dt = dp dt

Fizyka w sporcie

Fosbury Flop (Flop) złoty medal na igrzyskach olimpijskich w Meksyku, 1968 (rekord 2,24 m) Dick Fosbury, 1947

Co jeśli oś obrotu się porusza? 4:53 Ruch postępowy i obrotowy K = 1 2 Mv śm 2 + 1 2 I śmω 2

Prawdziwe obiekty fizyczne Można przesuwać (punkt materialny też!) Można obracać (punktu materialnego nie!) Można ściskać, rozciągać, skręcać, wyginać, Mechanika ośrodków ciągłych

Bryła sztywna Model prawdziwego obiektu fizycznego Elementy obiektu nie mogą się przemieszczać względem siebie Co może robić bryła sztywna? Przesuwać się w jednym z trzech kierunków Obracać się względem jednej z trzech osi Punkt materialny uproszczenie bryły sztywnej, założenie ruch obrotowy nie istotny

Obroty wokół osi Ustalona oś Kurczak rożnie Wiatrak Wskazówki Jak opisać ruch obrotowy? Śledź punkt P (x, y)? OP jest stałe Wystarczy θ

Jak zmierzyć kąt θ? Mierzymy kąt w radianach Wartość kąta w radianach: θ = s r Iloraz dwóch długości bezwymiarowy ( czysta liczba) 360 0 = 2π, s = 2πr θ, s =? s = 2πrθ 2π = rθ

Prędkość kątowa Średnia prędkość kątowa: ω śr z = θ 2 θ 1 = Δθ t 2 t 1 Δt Prędkość kątowa: Δθ ω z = lim Δt 0 Δt = dθ dt

Kąt i prędkość kątowa mogą być ujemne

Przyśpieszenie kątowe Średnie przyśpieszenie kątowe: α śr z = ω 2z ω 1z t 2 t 1 Przyśpieszenie kątowe : Czyli: = Δ ω z Δt Δω z α z = lim Δt 0 Δt = dω z dt α z = dω z dt = d dt dθ dt = d2 θ dt 2

Prędkość obrotowa i liniowa s = rθ ds dt = d(rθ) dt v = r dθ dt ω v = rω Im dalej oddalony punkt od środka tym większa prędkość

Przyśpieszenie liniowe i kątowe Konie na dole karuzeli przebywają dłuższy dystans niż te na górze Konie na dole karuzeli mają większą prędkość liniową niż te na górze Ale kątową prędkość mają taką samą!

Przyśpieszenie obrotowe i liniowym v = rω dv dt = d(rω) dt a n = r dω dt a n = rα Przyśpieszenie dośrodkowe: a rad = v2 r = (rω)2 r α = rω 2

Energia kinetyczna v = rω K = 1 2 m 1v 1 2 + 1 2 m 2v 2 2 + = 1 2 i m i v i 2 K = 1 2 i m i r i ω 2 i = 1 2 ω2 2 m i r i i Moment bezwładności K = 1 2 Iω2 I = i m i r i 2

Moment bezwładności zależy od osi! To będziemy liczyć na ćwiczeniach

Moment bezwładności I = i m i r i 2 I = r 2 dm = ρ = dm dv = r2 ρdv = ρ r 2 dv gęstość

Moment bezwładności wydrążonego walca I = ρ r 2 dv = ρ න R 2 R 2 r 2 2πrLdr = 2πρL න r 3 dr R 1 R 1 I = 2πρL 1 4 R 2 4 R 1 4 I = 1 2 πρl R 2 4 R 1 4

Moment bezwładności wydrążonego walca I = 1 πρl R 2 2 4 R 4 1 = 1 πρl R 2 2 2 2 R 1 R 2 2 2 + R 1 Objętość walca: V = πl R 2 2 2 R 1 Masa walca: M = Vρ = πρl R 2 2 2 R 1 I = 1 2 M R 2 2 2 + R 1

Wyścigi toczących się (bez poślizgu) ciał Takie same masy Bez poślizgu tarcie nie wykonuje żadnej pracy Na górze wszystkie ciała mają U 1 = Mgh, K 1 = 0 Na dole U 2 = 0, K 2 =?

Wyścigi toczących się (bez poślizgu) ciał K 1 + U 1 = 1 2 Mv śm 2 + 1 2 I śmω 2 + U 2 Mgh = 1 2 Mv śm 2 + 1 v 2 cmr2 śm R 2

Wyścigi toczących się (bez poślizgu) ciał Mgh = 1 2 Mv śm 2 + 1 v 2 cmr2 śm R 2 Mgh = 1 2 Mv śm 2 1 + c v śm = 2gh 1 + c

Toczenie się bez poślizgu Koło obróciło się o kąt θ Środek masy przemieścił się o s s = θr Zróżniczkujmy po czasie ds dt = d Rdθ θr = dt dt Warunek: v śm = Rω Physics for Scientists and Engineers by Serway and Jewett

Złożenie ruchów postępowy i obrotowy Ruch postępowy wszystkie punkty poruszają się w prawo z taką prędkością jak śm Ruch obrotowy wszystkie punkty poruszają się po okręgu z prędkością kątową ω

Twierdzenie Steinera (osie równoległe) Moment bezwładności zależy od osi obrotu I śm - moment bezwładności ciała o masie M dla osi przechodzącej przez środek masy I d - moment bezwładności dla osi równoległej oddalonej o d: I d = I śm + Md 2

Przykład: pręt I śm = 1 12 ML2 d = L 2 I d = I śm + Md 2 = 1 12 ML2 + M L 2 = 1 12 ML2 + 1 4 ML2 = 4 12 ML2 = 1 3 ML2 2

Dowód twierdzenia Steinera Dwie osie równoległe: Środek masy Punkt P I śm = m i x i 2 + y i 2 i I p = m i x i a 2 + y i b 2 i

Dowód twierdzenia Steinera I p = m i x i a 2 + y i b 2 = i m i x 2 i + a 2 2ax i + y 2 i + b 2 2by i = i m i x 2 i + y 2 i + a 2 + b 2 i i m i 2a m i x i 2b m i y i i i

Dowód twierdzenia Steinera I p = i m i x i 2 + y i 2 + a 2 + b 2 i m i 2a m i x i 2b m i y i i i = I śm + Md 2 2aMx śm 2bMy śm = I śm + Md 2 x śm = 1 M i m i x i y śm = 1 M i m i y i

Ruch bryły sztywnej ruch postępowy + obrotowy (analogie) Ruch postępowy Masa M Prędkość Ԧv = d Ԧr dt Przyśpieszenie Ԧa = dv dt Siła ԦF Ruch obrotowy Moment bezwładności I Prędkość kątowa ω = d Ԧθ dt Przyśpieszenie kątowe Ԧα = dω dt Moment siły Ԧτ = Ԧr ԦF

II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego Dyskretyzacja: ciało składa się z cząstek Obrót wokół osi z Cząstka nr 1: m 1, r 1 (odl. od osi z) Cząstka ruch po okręgu II zasada dynamiki: F 1,tan = m 1 a 1,tan = m 1 r 1 α z F 1,tan r 1 = m 1 r 1 2 α z τ 1 = m 1 r 1 2 α z

II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego τ 1 = m 1 r 1 2 α z To samo dla każdej z cząstek: τ 1 + τ 2 + = m 1 r 1 2 α z + m 1 r 1 2 α z + i τ i = α z i m i r i 2 = α z I

Co jeśli oś obrotu się porusza? Ruch postępowy i obrotowy K = 1 2 Mv śm 2 + 1 2 I śmω 2

Przykład: prymitywne jojo Założenia: Nić nieważka, nierozciągła, bez poślizgu Jaka prędkość v śm po h? Bez poślizgu v śm = Rω Początkowo energia kinetyczna K 1 = 0 Moment bezwładności I = 1 2 MR2

Przykład: prymitywne jojo v śm = Rω, K 1 = 0, I = 1 2 MR2 K 2 = 1 Mv 2 śm 2 + 1 I 2 śmω 2 = 1 Mv 2 śm 2 + 1 2 1 2 MR2 v śm R 2 = = 1 2 Mv śm 2 + 1 4 Mv śm 2 = 3 4 Mv śm 2

Przykład: prymitywne jojo v śm = Rω, K 1 = 0, I = 1 2 MR2 K 2 = 3 Mv 4 śm 2 Zasada zachowania energii: K 1 + U 1 = K 2 + U 2 0 + Mgh = 3 Mv 4 śm 2 + 0 v 2 śm = 4 3 gh < 2gh Tak by było dla masy punktowej

Przeczytaj