Kap. 14 Mekaniske svingninger

Like dokumenter
Kap. 14 Mekaniske svingninger

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger. Vi skal se på: Udempet harmonisk svingning. kap

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Arbeid og energi. Energibevaring.

Kap. 3 Arbeid og energi. Energibevaring.

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

Flervalgsoppgave. Arbeid og energi. Energibevaring. Kollisjoner REP Konstant-akselerasjonslikninger. Vi har sett på:

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

Løsningsforslag til øving 1

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

Oppsummert: Kap 1: Størrelser og enheter

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

TFY4160 Bølgefysikk/FY1002 Generell Fysikk II 1. Løsning Øving 2. m d2 x. k = mω0 2 = m. k = dt 2 + bdx + kx = 0 (7)

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

Arbeid og energi. Energibevaring.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

Mandag Mange senere emner i studiet bygger på kunnskap i bølgefysikk. Eksempler: Optikk, Kvantefysikk, Faststoff-fysikk etc. etc.

Denne ligninga beskriver en udempet harmonisk oscillator. Torsjons-svingning. En stav er festet midt på en tråd som er festet i begge ender.

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I TFY4145 MEKANISK FYSIKK OG FY1001 MEKANISK FYSIKK Eksamensdato: Torsdag 11. desember 2008 Eksamenstid: 09:00-13:00

5) Tyngdens komponent langs skråplanet, mg sin β, lik maksimal statisk friksjonskraft, f max = µ s N =

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4160/FY1002: Bølgefysikk Høsten 2006, uke 36

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

EKSAMENSOPPGAVE. Fagnr: FO 443A Dato: Antall oppgaver:

Eksamensoppgave i TFY4108 Fysikk

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

EKSAMEN I TFY4145 MEKANISK FYSIKK OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

TFY4108 Fysikk: Løysing kontinuasjonseksamen 13. aug. 2014

Eksamensoppgave i TFY4115 FYSIKK

Newtons 3.lov. Kraft og motkraft. Kap. 4+5: Newtons lover. kap Hvor er luftmotstanden F f størst? F f lik i begge!!

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 4. m 1 gl = 1 2 m 1v 2 1. = v 1 = 2gL

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 7.

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

Kap Rotasjon av stive legemer

FY1002/TFY4160 Bølgefysikk. Løsningsforslag til Midtsemesterprøve fredag 15. oktober 2010 kl Oppgavene og et kortfattet løsningsforslag:

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

Eksamensoppgave i TFY4108 Fysikk

Løsningsforslag til ukeoppgave 2

Aristoteles (300 f.kr): Kraft påkrevd for å opprettholde bevegelse. Dvs. selv UTEN friksjon må oksen må trekke med kraft S k

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN i TFY4108 FYSIKK

Eksamensoppgave i TFY4108 Fysikk

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS120 VÅR 2017

Rotasjon: Translasjon: F = m dv/dt = m a. τ = I dω/dt = I α. τ = 0 => L = konstant (N1-rot) stivt legeme om sym.akse: ω = konst

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN FAG TFY4160 BØLGEFYSIKK OG FAG FY1002 GENERELL FYSIKK II Onsdag 8. desember 2004 kl Bokmål. K. Rottmann: Matematisk formelsamling

Kap Newtons lover. Newtons 3.lov. Kraft og motkraft. kap 4+5 <file> Hvor er luftmotstanden F f størst?

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Kap Rotasjon av stive legemer

Kap Rotasjon av stive legemer

Eksamensoppgave i TFY4108 Fysikk

Kap. 4+5: Newtons lover. Newtons 3.lov. Kraft og motkraft. kap Hvor er luftmotstanden F f størst?

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

Eksamensoppgave i TFY4104 Fysikk

Løsningsforslag, eksamen FY desember 2017

Obligatorisk oppgave nr 3 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Vektorstørrelser (har størrelse og retning):

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

Løsningsforslag til MEF1000 Material og energi - Kapittel 2 Høsten 2006

Løsningsforslag til øving 6

MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER. Newtons andre lov: F = dp/dt p = mv = mṙ. Konstant akselerasjon: v = v 0 + at x = x 0 + v 0 t at2

Eksamensoppgave i TFY4115 FYSIKK

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4106 Fysikk Lsningsforslag til Eksamen 16. mai t= + t 2 = 2 ) exp( t=);

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

TFY4108 Fysikk: Løysing ordinær eksamen 11. des. 2014

5) Tyngdens komponent langs skråplanet, mgsinβ, lik maksimal statisk friksjonskraft, f max = µ s N =

TFY4109 Fysikk Eksamen 14. desember 2015 Side 13 av 22

MEK4510 Svingninger i konstruksjoner

Løsningsforslag til øving 3: Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

TFY4104 Fysikk Eksamen 6. desember 2018 { 6 sider

Fjæra i a) kobles sammen med massen m = 100 [kg] og et dempeledd med dempningskoeffisient b til en harmonisk oscillator.

Eksamensoppgave i TFY4145 MEKANISK FYSIKK FY1001 MEKANISK FYSIKK

TFY4109 Fysikk Eksamen 9. august Løsningsforslag

Øving 2: Krefter. Newtons lover. Dreiemoment.

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

Stivt legeme, reeksjonssymmetri mhp rotasjonsaksen: L = L b + L s = R CM MV + I 0!

EKSAMEN I FAG SIF4002 FYSIKK. Mandag 5. mai 2003 Tid: Sensur uke 23.

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 12/6 2017

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

Aristoteles (300 f.kr): Kraft påkrevd for å opprettholde bevegelse. Dvs. selv UTEN friksjon må oksen trekke med kraft R O =S k

TFY4104 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

FYSMEK1110 Eksamensverksted 31. Mai 2017 (basert på eksamen 2004, 2013, 2014, 2015,)

TMA4115 Matematikk 3 Vår 2012

Løsningsforslag til øving 5

Mekaniske svingesystemer. Institutt for fysikk, NTNU

FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 20

Transkript:

Kap. 14 Mekaniske svingninger Mye svingning i dagliglivet: Pendler Musikkinstrument Elektriske og magnetiske svingninger Klokker Termiske vibrasjoner (= temperatur) Måner og planeter Historien og økonomien m.m. Farlige svingninger:

Tacoma Narrows Bridge on the morning of Nov. 7, 194. The bridge was an unusually light design, and, as engineers discovered, peculiarly sensitive to high winds. Rather than resist them, as most bridges do, the Tacoma Narrows tended to sway and vibrate. On November 7, in a 4-mile-per-hour wind, the center span began to sway, then twist. The combined force of the winds and internal stress was too great for the bridge, and it self-destructed. No one was killed, as the bridge had been closed because of previous swaying. This is one of the best-known and most closely studied engineering failures, thanks in large part to the film and photographs that recorded the collapse. Full video: http://www.youtube.com/watch?v=j-zczjxsxnw

Brusvinginger i Norge, stormen «Lena» 9. aug. 214, Tofterøybrua mellom Sotra og Toftøya utenfor Bergen: http://www.nrk.no/hordaland/her-danser-broen-til-uvaeret-1.11873672

14. Mekaniske svingninger Vi skal se på: 14.1-6. Udempet harmonisk svingning x(t) = A cos (ω t + φ) 14.7. Dempet svingning x(t) = A e -γt cos (ω d t + φ) 14.8. Tvungen svingning (resonans) Eksempler: Fjærpendel Matematisk pendel Fysisk pendel Y & F: Kap. 14 (mer enn pensum) L & L: Kap. 9 (mer enn pensum, spesielt å løse diff.likn.) H & S: Kap 6 (litt kortfattet)

Harmonisk oscillasjon (SHM = Simple Harmonic Motion) Eks: Masse-fjær-pendel (friksjonsfri) Fjærkrefter: F x = - k Δx Newton 2 gir: d 2 /dt 2 x + k/m x = (14.4) m m F x

Newton 2 gir: d 2 /dt 2 x +ω 2 x = (14.4) der ω 2 = k/m (14.1) løsning: x(t) = A cos (ω t + φ) (14.13) Frekvens ω = k/m Stiv fjær: stor k, høy frekvens Stor masse: stor m, liten frekvens -φ

I romfartøy: Tyngden mangler. Måling av masse ved SHM: m = k / ω 2 Kjent k Måler ω

Harmonisk svingning: x(t) = A cos (ω t + φ) (14.13) startamplitude = x = x(t=) = A cos φ (*) startfart = v = dx/dt(t=) = -A ω sin φ (**) gir: tan x v A x v / 2 2 2 (14.18) (14.19) v x φ A x(t) = x x cos ω t Enkle eksempler = π/2 v /ω v /ω sin ω t

Posisjon x(t) = A cos (ω t + φ) (14.13) φ = fasevinkel, (= i grafen) Hastighet v(t) = dx/dt = - Aω sin (ω t + φ) (14.15) Akselerasjon a(t) = dv/dt = - Aω 2 cos (ω t + φ) = -ω 2 x (Fjærpendel: ω 2 = k/m ) (14.16)

x(t) x E p og E k s.f.a tid E p = ½ kx 2 E p E k = ½ mv 2 E k E tot = E p (t)+e k (t) = konstant

Energi i SHM (Simple Harmonic Motion) [Y&F ch. 14.3] E p og E k s.f.a posisjon E tot = E p (t)+e k (t) = konstant Pot. energi U = E p og kinetisk energi K = E k

Matematisk pendel (14.5 Simple pendulum) θ L F=-mg sinθ For små utsving (sin θ θ ) : d 2 /dt 2 θ +ω 2 θ = med ω 2 = g/l T = 2π/ω mg

Feil ved f.eks. 3 O : sin 3 O = sin π/6 =,5 π/6 =,524 (kun 5 % feil) F θ = -mg sin θ F θ -mg θ (Y&F Fig. 14.22)

Matematisk pendel Periode ved store vinkelamplituder θ : 2 2 2 1 2 1 3 4 T T 1 sin sin 2 2 2 4 2 T 2 2 L g (14.35) Store utsving: Ikke-harmonisk svingning. Behandles numerisk (Matlab) i Øving 7, opg.4. 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o Amplitude θ

A Χ θ d Fysisk pendel (14.6 Physical pendulum) N2-rot gir for små utsving: d 2 /dt 2 θ +ω 2 θ = cm θ ω 2 = mgd/i T 2 2 I mgd mg

Svingende fjøl T 2 I mgd (13.39) T 2 I( x) mgx L/2 x L/2 A cm Treg.mom. om hull A: I(x) = I cm + mx 2 (Steiners sats) Treg.mom. om c.m.: I cm = 1/12 m (L 2 +b 2 ) 1/12 m L 2 T(x) med L = 1, m d = x b << L Minimum ved x = L/ 12

14. Mekaniske svingninger. Oscillasjoner i neste lab. Inklusiv dempet og tvungen oscillasjon. (Første gruppe starter man. 17.1.16)

14.7. Dempet svingning Svingelikning: d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = (14.41) γ << ω svak dempet: x(t) = A e γt cos(ω d t + φ) ω d2 = ω 2 - γ 2 (14.43) γ = ω kritisk dempet: x(t) = (A + t B) e γt γ > ω overkritisk dempet: x( t) Ae e Be e t t t t Fra: 2 2 www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/oscda2.html

14.8. Tvungen svingning. Resonans Svingelikning: d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = f cos ωt bx kx Etter kort tid bestemmer pådraget frekvensen: x(t) = A cos(ω t - δ) F cos t Amplitude A og fase δ bestemmes av ω og γ: A 2 2 2 2 ( ) (2 ) tan 2 2 2 f (14.46) Utledning i eget notat under forelesningsplan Resonans (stor A ) når ω = ω

A 2 2 2 2 ( ) (2 ) f i log-log-plot med ζ = γ/ω = 1/2 (svært svak demping) A ( ) A () ω /ω

A ( ) A () Figurer: http://en.wikipedia.org/wiki/vibration ζ = γ/ω A 2 2 2 2 ( ) (2 ) f A ( ) A () ω /ω δ tan 2 2 2 vanlig bruk : ω /ω

2A / mm (peak-to-peak) 12 1 Resonanstopp målt for lab-svingeapparat. Pådragsamplitude 4 mm. Liten demping (15 mm gap mellom magneter). (?) 99 1 8 6 4 44 74 66 68 6 53 39 Halvverdibredde ca,2 Hz 2 3 24 15 18 12 1 7 6 4 2,5 1 1,5 2 2,5 3 f 1,55 Hz f /Hz

14. Mekaniske svingninger. Oppsummering 1 Udempet harmonisk oscillasjon (SHM) Kriterium SHM: Krafta som trekker mot likevekt er prop. med avstand x (eks. F = - kx ) Dette gir fra Newton 2: d 2 /dt 2 x +ω 2 x = med løsning: x(t) = A cos (ω t + φ) masse/fjær: ω 2 = k/m tyngependel (matematisk): ω 2 = g/l fysisk pendel: ω 2 = mgl/i Dempet harmonisk oscillasjon d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = med løsning: x(t) = A e -γt cos (ω d t + φ) (svak demping γ < ω ) ω d2 = ω 2 - γ 2

14. Mekaniske svingninger. Oppsummering 2 Tvungen svingning (resonans) d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = F /m cos ωt med løsning x(t) = A cos(ω t - δ) F / m A 2 2 2 2 ( ) (2 ) 2 tan 2 2 Resonans (stor A ) når ω = ω A ( ) A () ω /ω Energi: Totalenergien E tot = E k (t) + E p (t) er konstant og svinger mellom E k (t) og E p (t) E p (t) prop. med x 2 for alle svingninger Fjærpendel: E p (t)= ½ k x 2

Energi: Totalenergien E tot = E k (t) + E p (t) er konstant og svinger mellom E k (max) og E p (max) E p (t) prop. med (utslag) 2 for alle svingninger: Fjærpendel: E p (x) = ½ k x 2 Torsjonspendel: E p (θ) = ½ κ θ 2 Tyngdependel L θ Lcosθ E p (θ) = mgh = mgl(1- cosθ) mgl/2 θ 2 L cosθ 1 ½ θ 2 h = L - Lcosθ

Eksempel x Vertikal SHM: Vil kula lette fra underlaget? Letter når klossens akselerasjon nedover er større enn 9,81 m/s 2

Letter på toppen eller like før x Posisjon Letter! Akselerasjon Aksel oppover Aksel nedover Letter når a g = 9,81 m/s 2

Vertikal svingning. Flervalgsoppgave fra en eksamen Ei pakke vaskemiddel står oppå en vaskemaskin som er i ferd med å sentrifugere på 12 omdreininger per minutt. Vaskemaskinen vibrerer dermed vertikalt med en amplitude på 1, mm. Vil vaskemiddelpakka på noe tidspunkt miste kontakten med underlaget? Hvorfor, evt. hvorfor ikke? A. Ja, fordi vaskemaskinens maksimale akselerasjon overstiger 9,8 m/s 2. B. Ja, fordi vaskemaskinens maksimale hastighet overstiger 9,8 m/s. Mulige svar C. Nei, fordi vaskemaskinens maksimale akselerasjon aldri overstiger 9,8 m/s 2. D. Nei, fordi vaskemaskinens maksimale hastighet aldri overstiger 9,8 m/s. E. Nei, fordi vaskemaskinens maksimale vertikale utsving aldri overstiger 9,8 mm. SHM: ω = 2πf = 2π 12/6 1/s = 4π 1/s x = A cos(ωt) => a = d 2 x/dt 2 = - ω 2 A cos(ωt) a max = ω 2 A = (4π 1/s) 2,1 m = 15,8 m/s 2 > g => Alt. A

Horisontal svingning. Fra en eksamen Oppgave 4 En pakke med masse m er plassert på en horisontal plattform som svinger harmonisk langs bakken med periode T. Friksjonskoeffisienten mellom pakken og plattformen er μ og tyngdens akselerasjon er g. Svingeamplituden A økes nå langsomt (med konstant T). Ved hvilken amplitude A begynner pakken å skli? (Forsøk med en mynt på et papirark.) Friksjonsbegrenset Pakken akselereres av friksjonskrafta som er max F f = μmg, dvs. dens maksimale akselerasjon den kan følge er a max = F f /m = μg. Akselerasjonens amplitude = ω 2 A, dermed: a max = μg = ω 2 A, som med ω = 2π/T gir A = μg /ω 2 = μg (T/ 2π) 2