Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger

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

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Kap. 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)

Løsningsforslag til øving 1

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

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

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

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

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

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

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

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

Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Arbeid og energi. Energibevaring.

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

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

Oppsummert: Kap 1: Størrelser og enheter

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

FY0001 Brukerkurs i fysikk

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

Mekaniske svingesystemer. Institutt for fysikk, NTNU

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS120 VÅR 2017

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

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

Løsningsforslag til ukeoppgave 2

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

TFY4104 Fysikk Eksamen 6. desember 2018 { 6 sider

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

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

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

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

Kap Rotasjon av stive legemer

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

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Anne Borg Tlf BOKMÅL. EKSAMEN I EMNE TFY4115 Fysikk Elektronikk og Teknisk kybernetikk

NTNU Fakultet for lærer- og tolkeutdanning

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

EKSAMEN I TFY4145 MEKANISK FYSIKK OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

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

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

UNIVERSITETET I OSLO

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

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

Løsningsforslag til øving 5

Kap Rotasjon av stive legemer

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Obligatorisk oppgave 1 i FO340E

Folkevandringstelling

UNIVERSITETET I OSLO

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

TMA4115 Matematikk 3 Vår 2012

Midtsemesterprøve Bølgefysikk Fredag 12. oktober 2007 kl

Løsningsforslag til øving 6

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

FYS2130. Tillegg til kapittel 13. Harmonisk oscillator. Løsning med komplekse tall

TFY4108 Fysikk: Løysing kontinuasjonseksamen 13. aug. 2014

TFY4104 Fysikk Eksamen 16. desember 2017 Formelside 1 av 6

Kap Rotasjon av stive legemer

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

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

Eksamensoppgave i TFY4108 Fysikk

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

Vektorstørrelser (har størrelse og retning):

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2008

Vi skal se på: Lineær bevegelsesmengde, kollisjoner (Kap. 8)

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 6.

UNIVERSITETET I OSLO. Introduksjon. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet 1.1

Andreas. Støvneng Tlf.: Eksamensdato: Rottmann, Nynorsk. I alt 10. Dato. Sign

Obligatorisk oppgave nr 3 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Prøve i R2. Innhold. Differensiallikninger. 29. november Oppgave Løsning a) b) c)...

Onsdag isolator => I=0

TFY4115 Fysikk. Emneoversyn: Mekanikk ( 50 %) Newtons lover Energi, bevegelsesmengde, kollisjoner Rotasjon, spinn Statisk likevekt Svingninger

Øving 2: Krefter. Newtons lover. Dreiemoment.

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

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

Løsningsforslag. for. eksamen. fysikk forkurs. 3 juni 2002

Eksamensoppgave i TFY4104 Fysikk

Transkript:

Kap. 14 8.1.215 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: 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 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 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 (ωd 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.) Kap. 14 H & S: Kap 6 (litt kortfattet) 1

Kap. 14 8.1.215 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) 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) m Frekvens ω = k/m Stiv fjær: stor k, høy frekvens -φ m F x Stor masse: stor m, liten frekvens 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: v tan x (14.18) A x v / 2 2 2 (14.19) v x φ A x(t) = x x cos ω t Enkle eksempler = π/2 v /ω v /ω sin ω t Kap. 14 2

Kap. 14 8.1.215 Posisjon x(t) = A cos (ω t + φ) (14.13) φ = fasevinkel, (= i grafen) E p og E k s.f.a tid x(t) x Hastighet v(t) = dx/dt = - Aω sin (ω t + φ) (14.15) E p = ½ kx 2 E p Akselerasjon a(t) = dv/dt = - Aω 2 cos (ω t + φ) = -ω 2 x (Fjærpendel: ω 2 = k/m ) (14.16) 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] Matematisk pendel (14.5 Simple pendulum) 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 For små utsving: d 2 /dt 2 θ +ω 2 θ = med ω 2 = g/l T = 2π/ω (Y&F Fig. 14.21b) Kap. 14 3

Kap. 14 8.1.215 Feil ved f.eks. 3 O : sin 3 O = sin π/6 =,5 π/6 =,524 sin θ = θ feil med 5 % Matematisk pendel T = 2π (L/g) Periode ved store vinkelamplituder Φ : (14.35) (Φ θ) 1 o 2 o 3 o 4 o 5 o Større utsving: Ikke-harmonisk svingning Behandles numerisk (Matlab) i Øving 7, opg.4. (Y&F Fig. 14.22) Fysisk pendel (14.6 Physical pendulum) N2-rot gir for små utsving: d 2 /dt 2 θ +ω 2 θ = ω 2 = mgd/i L/2 x L/2 Svingende fjøl T 2 I mgd (13.39) A cm Treg.mom. om hull A: I = 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 2 I mgx T(x) med L = 1, m 2 T 2 I mgd b << L d = x (Y&F Fig. 13.23) Minimum ved x = L/ 12 = R G Kap. 14 4

Kap. 14 8.1.215 14.7. Dempet svingning Svingelikning: d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = (14.41) 14.8. Tvungen svingning. Resonans Svingelikning: d 2 /dt 2 x + 2γ d/dt x + ω 2 x = f cos ωt bx kx F cos t 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 1 +ta 2 ) e γt γ > ω overkritisk dempet: x( t) A e A e 1t 2t 1 2 1 2 Fra: www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/oscda2.html Etter kort tid bestemmer pådraget frekvensen: x(t) = A cos(ω t - δ) Amplitude A og fase δ bestemmes av ω og γ: A ( ) (2 ) 2 tan 2 2 Resonans (stor A ) når ω = ω f (14.46) Utledning i eget notat under forelesningsplan A ( ) (2 ) f i log-log-plot med ζ = γ/ω = 1/2 (svært svak demping) A ( ) A () Figurer: http://en.wikipedia.org/wiki/vibration ζ = γ/ω A ( ) (2 ) f A ( ) A () A ( ) A () ω /ω δ 2 tan 2 2 vanlig bruk : ω /ω ω /ω Kap. 14 5

Kap. 14 8.1.215 14. Mekaniske svingninger. Oppsummering 1 14. Mekaniske svingninger. Oppsummering 2 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 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 ( ) A A () ( ) (2 ) 2 tan 2 2 Resonans (stor A ) når 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 ω /ω 14. Mekaniske svingninger. Svingninger i neste lab (første starter man. 19.1.15) Letter på toppen eller like før Posisjon x Letter! Akselerasjon Aksel oppover Aksel nedover Letter når a g = 9,81 m/s 2 Kap. 14 6

Kap. 14 8.1.215 Vertikal svingning. Flervalgsoppgave fra en eksamen (fysmat des. 29). 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 (fysmat des. 29). 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 Kap. 14 7