Zastosowania zasad dynamiki Newtona Katarzyna Sznajd-Weron. Wykład dla Informatyki WPPT

Podobne dokumenty
Zastosowania zasad dynamiki Newtona Katarzyna Sznajd-Weron. Wykład dla Matematyki Stosowanej

Wykład 1: Fale wstęp. Drgania Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

Dynamika punktu materialnego Katarzyna Weron. Wykład dla Matematyki Stosowanej

Drgania, dynamika nieliniowa i chaos deterministyczny. Katarzyna Weron

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

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

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

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

Kinematyka: opis ruchu

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Siła sprężystości - przypomnienie

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

Podstawy fizyki. Wykład 1. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Drgania. O. Harmoniczny

m Jeżeli do końca naciągniętej (ściśniętej) sprężyny przymocujemy ciało o masie m., to będzie na nie działała siła (III zasada dynamiki):

Prawa ruchu: dynamika

Wykład 7: Układy cząstek. WPPT, Matematyka Stosowana

Kinematyka: opis ruchu

Prawa ruchu: dynamika

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

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

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

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

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

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Fizyka dla Informatyków Wykład 8 Mechanika cieczy i gazów

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Podstawy fizyki. Wykład 1. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Opis ruchu obrotowego

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

a, F Włodzimierz Wolczyński sin wychylenie cos cos prędkość sin sin przyspieszenie sin sin siła współczynnik sprężystości energia potencjalna

Fizyka. Program Wykładu. Program Wykładu c.d. Kontakt z prowadzącym zajęcia. Rok akademicki 2013/2014. Wydział Zarządzania i Ekonomii

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

Prawa ruchu: dynamika

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Dynamika nieliniowa i chaos deterministyczny. Fizyka układów złożonych

Opory ruchu. Fizyka I (B+C) Wykład XII: Tarcie. Ruch w ośrodku

Plan wykładu. Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne. Oscylator harmoniczny Przykłady zastosowań. dr inż.

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

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Dynamika punktu materialnego Katarzyna Sznajd-Weron. Wykład dla Informatyki WPPT

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

τ = wyp τ i ! F = wyp Równowaga statyczna

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Kinematyka, Dynamika, Elementy Szczególnej Teorii Względności

Drgania - zadanka. (b) wyznacz maksymalne położenie, prędkość i przyspieszenie ciała,

Ć W I C Z E N I E N R M-2

α - stałe 1 α, s F ± Ψ taka sama Drgania nieliniowe (anharmoniczne) Harmoniczne: Inna zależność siły od Ψ : - układ nieliniowy,

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 3 ENERGIA I PRACA SIŁA WYPORU. Piotr Nieżurawski. Wydział Fizyki. Uniwersytet Warszawski

Podstawy fizyki wykład 9

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 27.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Fizyka. Program Wykładu. Program Wykładu c.d. Literatura. Rok akademicki 2013/2014

Część I. MECHANIKA. Wykład KINEMATYKA PUNKTU MATERIALNEGO. Ruch jednowymiarowy Ruch na płaszczyźnie i w przestrzeni.

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

Kinematyka: opis ruchu

Wykład 3: Jak wygląda dźwięk? Katarzyna Weron. Matematyka Stosowana

Fizyka I (mechanika), rok akad. 2011/2012 Zadania na ćwiczenia, seria 2

Ruch jednostajny po okręgu

Kinematyka: opis ruchu

będzie momentem Twierdzenie Steinera

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

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Fizyka 4. Janusz Andrzejewski

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Podstawy fizyki wykład 7

Wykład 3 Ruch drgający Ruch falowy

Jaki musi być kąt b, aby siła S potrzebna do wywołania poślizgu była minimalna G S

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 3 19.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

8. OPORY RUCHU (6 stron)

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

Zasady oceniania karta pracy

Fizyka dla informatyków Wykład 2: Kinematyka Katarzyna Weron. Wykład dla Matematyki Stosowanej

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

5. Ruch harmoniczny i równanie falowe

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

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Równania różniczkowe. Dariusz Uciński. Wykład 7. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Universytet Zielonogórski

Wyznaczanie prędkości lotu pocisku na podstawie badania ruchu wahadła balistycznego

VII. Drgania układów nieliniowych

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

PRACOWNIA FIZYCZNA I

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

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

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Fizyka Elementarna rozwiązania zadań. Część 20, 21 i 22 Przygotowanie: Grzegorz Brona,

Transkrypt:

Zastosowania zasad dynamiki Newtona Katarzyna Sznajd-Weron Wykład dla Informatyki WPPT

Zasady Dynamiki Newtona skrót (inercjalne układy odniesienia) 1. F = 0 a = 0 (definicja układu inercjalnego) 2. F = ma F x = ma x F y = ma y F z = ma z 3. F AA = F BB https://www.goodfreephotos.com/astrophotography/moon-and-earth-in-space.jpg.php

Dlaczego spadają tak samo? Dalekozasięgowa siła: F 1 = F 2 = G m 1m 2 r 2 Source: http://www.brighthub.com Z drugiej strony masa bezwładna: F = ma F y = mg F y = G Mm r 2

Siła oporu Siła jaką płyn (gaz lub ciecz) wywiera na ciało w ruchu Skierowana zawsze przeciwnie do kierunku ruchu ciała Poruszające się ciało wywiera siłę na płyn toruje drogę Z III zasady Newtona płyn działa na ciało małe prędkości: f = kk duże prędkości: f = Dv 2 D = 1 2 CρS S- przekrój poprzeczny C współczynnik aerodynamiczny (eksperyment) ρ gęstość ośrodka (powietrza) UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Siła oporu aerodynamicznego f = f v v, v = v v f v = bb + cv 2 związany z lepkością (tarcie płynu), proporcjonalny do: lepkości płynu rozmiaru liniowego obiektu związany z przyśpieszaniem cząstek, z którymi się zderza obiekt proporcjonalny do: gęstości ośrodka przekroju poprzecznego obiektu Przyzwoite funkcje rozwijamy w szereg potęgowy Taylora! f v = a + bb + cv 2 +

Siła oporu aerodynamicznego f = f v v, v = v v f v = bb + cv 2 = f lll + f kk Dla obiektów o kształcie kulistym o średnicy D : b = ββ, c = γd 2 W powietrzu warunkach normalnych: β = 1,6 10 4 NN m 2 γ = 0,25 Ns2 m 4

Siła oporu aerodynamicznego kiedy można coś zaniedbać? f v = bb + cv 2 = f lll + f kk f kk = cv2 f lll bb = c γd2 v = b ββ v = 1,6 103 s/m 2 DD Ex: Piłka baseballowa o D=7cm leci z prędkością v = 5m s Ex: Kropla deszczu o D=1mm leci z prędkością v = 0,6m Ex: Kropla oleju o D = 1,5 μμ leci z prędkością v = 5 10 5 m : f kk 10 7 s f lll s : f kk f lll = 600 : f kk f lll 1

Przykład: kulka w oleju (mała prędkość) Siła działają tylko w kierunku Y F y (t) = mm kv y (t) = ma y (t) Na początku v y 0 = 0 oraz a y 0 = g Wraz ze wzrostem prędkości rośnie opór W końcu układ osiąga równowagę: F y = mm kv t = 0 v t = mm/k prędkość graniczna (terminal speed) UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Przykład: kulka w oleju równania ruchu v t = mm/k UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Przykład: Spadające koty Badania z 1987r. dane z pogotowia weterynaryjnego w Nowym Yorku 132 koty, 90% kotów przeżyło rekordzista spadł z 32 piętra na beton Prędkość graniczna 97km/h a potem? F g = mm F g = mm F g = mm

Przykład: Powietrzny skoczek Dla ciała ludzkiego spadającego w powietrzu w pozycji jak na zdjęciu wartość współczynnika D 0.25 kk. Znajdź graniczną prędkość m skoczka o masie 50kk. A co jeśli masa będzie większa? F y = mm Dv 2 y = 0 v y = mm D = 44 m s 160 kk h! UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Rzut ukośny z oporem liniowym v y > 0 v v x > 0 v x > 0 v y < 0 v F oo = (0, k y v y (t 2 ), 0) F g = (0, mm, 0) F oo = (0, k y v y (t 1 ), 0) F g = (0, mm, 0) v = (v x, v y, 0) v x = (v x, 0,0) v y = (0, v y, 0) v = v x + v y = (v x, v y, 0) Co liczycie z definicji? Współrzędne wektora czy wartości? a = dv dd, a = a x, a y, a z = dv x dd, dv y dd, dv x dd v = dr dd, v = v x, v y, v z = dd dd, dd dd, dd dd

Rzut ukośny z oporem liniowym Ruch poziomy (sprawdź czy to dobrze): ma x = bv x dv x dd = b m v x x t = v 0x τ 1 exp ( t/τ), Gdzie τ = m czas charakterystyczny (relaksacji) b Ruch pionowy (sprawdź czy to dobrze): ma y = mm bv y dv y dd = g b m v y y t = (v 0y +v g )τ 1 exp ( t/τ) v g t

Tor ruchu i zasięg (jak policzyć?) x t = v 0x τ 1 exp ( t/τ), y t = (v 0y +v g )τ 1 exp ( t/τ) v g t y x = v 0y v g v 0x x + v g τττ 1 x v 0x τ Zasięg y t R = 0 R = x(t R ) v 0y v g R + v v g τττ 1 R 0x v 0x τ = 0

Komputer lub rozwiązanie przybliżone v 0y v g v 0x R + v g τττ 1 R v 0x τ = 0 Jeśli opór nie jest duży to ten czynnik mały ln 1 ε = (ε + 1 2 ε2 + 1 3 ε3 + ) Fizycy zawsze szukają czegoś małego lub dużego! Rozwijamy w szereg potęgowy i zaniedbujemy wyrazy wyższego rzędu

Skoki małych żywych organizmów Steven Vogel, Living in a physical world II. The bio-ballistics of small projectiles J. Biosci. 30:167-175 (2005)

Siła tarcia Bardzo ważna ( złe i dobre aspekty): Olej w silniku samochodowym minimalizuje tarcie pomiędzy ruchomymi częściami Bez tarcia między oponami a drogą nie mogliśmy jechać ani skręcić (opony nie mogłyby się obracać) Jak odkręcałoby się żarówkę? UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Co się dzieje z tarciem? UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Wybrane współczynniki tarcia powierzchnie μ s μ k stal-stal 0.74 0.57 aluminium na stali 0.61 0.47 szkło-szkło 0.94 0.40 teflon-teflon 0.04 0.04 teflon na stali 0.04 0.04 guma na betonie (suchym) 1.0 0.8 guma na betonie (mokrym) 0.30 0.25 lód-lód 0.1 0.03 nawoskowane drewno na mokrym śniegu 0.14 0.1 nawoskowane drewno na suchym śniegu - 0.04

Tarcie kinetyczne i statyczne Tarcie statyczne działa kiedy nie ma względnego ruchu powierzchni próbujesz przesunąć pudło po podłodze a ono się nie rusza podłoga wywiera przeciwnie skierowaną siłę na pudło f s μ s n UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Tarcie kinetyczne i statyczne Trudniej poruszyć ciało niż utrzymać je w ruchu! Tarcie kinetyczne działa gdy ciało ślizga się po powierzchni dwie powierzchnie poruszają się względem siebie siła tarcia wzrasta, gdy rośnie siła normalna Empiryczne! f k = μ k n współczynnik tarcia kinetycznego UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Przykład: Jazda na sankach z tarciem Jaki kąt, żeby sanki jechały ze stałą prędkością? Znajdź ten kąt w zależności od wagi w i współczynnika tarcia μ k. F x = wwww α f k = wwww α μ k n = 0 wwww α = μ k n Równowaga! F y = n wwww(α) = 0 n = wwww(α) UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Przykład: Jazda na sankach z tarciem F x = wwww α f k = wwww α μ k n = 0 wwww α = μ k n F y = n wwww(α) = 0 n = wwww(α) wwww α = μ k wwww(α) μ k = sin (α) cos (α) = tt(α) UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Po co nachylona droga? Z jaką maksymalną szybkością można jechać na takim zakręcie? Znamy promień krzywizny R Znamy współczynnik tarcia μ Przyśpieszenie dośrodkowe auta: a rrr = v2 Równania Newtona: F x = f = ma rrr = mv2 R F y = n + mm = 0 R UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Po co nachylona droga? F x = f = ma rrr = mv2 R F y = n + mm = 0 n = mm Tarcie potrzebne, żeby utrzymać w tym ruchu rośnie z prędkością, ale max: f mmm = μ s f = μ s mm Czyli: μ s mm = m R v mmm 2 v mmm = μ s gg UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Po co nachylona droga? Zał: brak tarcia F x = nnnnn = ma rrr = mv2 R F y = n cos β + mm = 0 n = mm cos β mm mv2 ssss = cos β R ggggg = v 2 A co jeśli jeszcze tarcie? UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Przykład: Indianapolis, Speedway, Indiana Droga ma długość: 2.5 mmmi 4000 m: Dwóch prostych odcinków o długości 1000m Czterech zakrętów o długości 400 m Dwóch prostych o długości 200m Nachylenie: Proste: 0 0 Zakręty: 9,2 0 Nawierzchnia: asfalt Indy500 805km

Przykład: Indianapolis, Speedway, Indiana Z jaką maksymalną prędkością można jechać na zakrętach? Obwód koła: 1600 = 2ππ r 255 Nachylenie: Proste: 0 0 Zakręty: 9,2 0 1000m 200m

Jak szybko kręcić kieliszkami?

Oscylator harmoniczny x = 0: położenie równowagi 0 x x < 0 F x = kk > 0 0 F x = kk < 0 x 0 x > 0 x x < 0: wychylenie z położenia równowagi x > 0: wychylenie z położenia równowagi

Wahadło matematyczne F x = mmmmmm Druga zasada dynamiki: ma x = mmmmmm a x = ggggg = d2 x dt 2 Długość łuku: x = LL Równanie ruchu: θ + g L ssss = 0 UNIVERSITY PHYSICS, Copyright 2012 Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley

Jak to rozwiązać? θ + g L ssss = 0 ssss = θ θ3 3! + θ5 5! Jeśli założysz, że θ 0, wtedy ssss = θ θ + g L θ = 0 łatwo rozwiązać (jak?) Ale co to znaczy θ 0? (doświadczenie)

Małe kąty Dla małych kątów (oscylator harmoniczny) θ + g L θ = 0 Otrzymujemy: θ t = θ 0 cos Wtedy prędkość kątowa: θ ṫ = θ 0 g L sin g L t g L t

Wahadło matematyczne i pomiar przyśpieszenia ziemskiego Wahadło matematyczne i oscylator harmoniczny: θ + g L θ = 0 x + k m x = 0 Częstość kątowa: k = ω 2 m ω = k m = g L Okres nie zależy od masy ani wychylenia?! ω = 2π T = 2ππ T = 2π ω = 2π L g

Dlaczego ω to jakaś częstość (kołowa)? x t = Acos (ωω) x t = x t + T, T to okres cos ωω = cos ω t + T z własności cosinusa: cos ωω = cos (ωω + 2π) cos ωω + 2π = cos( ωω + ωω) 2π = ωω ω = 2π T = 2ππ Częstość (liczba okresów w 1s) oznaczana: f lub ν

Wahadło matematyczne i sprężyna: okres, położenie, prędkość i energia Restnik Halliday Walker

Oscylator tłumiony i wymuszany mx = F x = kk równanie Newtona mx + kk = 0 oscylator harmoniczny mx + bx + kk = 0 tłumienie mx + bx + kk = F(t) wymuszanie x + b m x + k m x = F t m = f t = f 0sin (ωω)

Wymuszane wahadło

Ruch harmoniczny i ruch po okręgu W 1610, skonstruowanym przez siebie teleskopem odkrył 4 główne księżyce Jowisza Sonda Juno (NASA ) film poklatkowy, rozpoczyna się w dniu 12 czerwca (Juno 10 milionów mil od Jowisza), a kończy się w dniu 29 czerwca (3 miliony mil). Galileo Galilei (1564 1642) Portrait by Giusto Sustermans Źródło: Wikipedia

Ruch harmoniczny i ruch po okręgu Ruch ze stałą prędkością kątową ω Jakim wzorem zadane położenie Q na OO? x = AAAAA = AAAA(ωω + φ) Restnik Halliday Walker

Do czytania ten wykład D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Podstawy fizyki (2007), Tom 1, Rozdziały 1-4