Theory Norwegian (Norway) Vær vennlig å lese de generelle instruksjonene i den separate konvolutten før du begynner på dette problemet.

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Dato: Fredag 01. mars Tid: Kl 09:00 13:00. Administrasjonsbygget B154

Øving 2: Krefter. Newtons lover. Dreiemoment.

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

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1001

UNIVERSITETET I OSLO

Obligatorisk oppgave i fysikk våren 2002

Fiktive krefter

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

SG: Spinn og fiktive krefter. Oppgaver

UNIVERSITETET I OSLO

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

Fiktive krefter

UNIVERSITETET I OSLO

FAG: FYS105 Fysikk (utsatt eksamen) LÆRER: Per Henrik Hogstad KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 5.

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, rom B154 2 ark med egne notater (4 sider) Godkjent kalkulator Rottman. Matematisk formelsamling

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE Njål Gulbrandsen / Ole Meyer /

EKSAMEN RF3100 Matematikk og fysikk

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2009

EKSAMEN. EMNE: FYS 119 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 119 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN. EMNE: FYS 120 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 120 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

FAG: Fysikk FYS122 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Tore Vehus (linjedel)

Midtveis hjemmeeksamen. Fys Brukerkurs i fysikk Høsten 2018

Stivt legemers dynamikk

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2010

Kan vi forutse en pendels bevegelse, før vi har satt den i sving?

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

FYSIKK-OLYMPIADEN Andre runde: 2/2 2012

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

2,0atm. Deretter blir gassen utsatt for prosess B, der. V 1,0L, under konstant trykk P P. P 6,0atm. 1 atm = 1,013*10 5 Pa.

Fiktive krefter. Gravitasjon og ekvivalensprinsippet

r+r TFY4104 Fysikk Eksamenstrening: Løsningsforslag

Bachelor i idrettsvitenskap med spesialisering i idrettsbiologi 2014/2016. Utsatt individuell skriftlig eksamen. IBI 240- Basal biomekanikk

FYSIKK-OLYMPIADEN Andre runde: 1/2 2007

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 2.

Stivt legemers dynamikk

EKSAMENSOPPGAVE. FYS-1001 Mekanikk. Fire A4-sider (to dobbeltsidige ark) med egne notater. Kalkulator ikke tillatt. Ruter.

FYSIKK-OLYMPIADEN

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

Eksamen i FYS Oppgavesettet, inklusiv ark med formler, er på 8 sider, inkludert forside. FAKULTET FOR NATURVITENSKAP OG TEKNOLOGI

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden 1. runde 28. oktober 8. november 2013

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

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

Fagnr: FIOIA I - Dato: Antall oppgaver: 2 : Antall vedlegg:

Stivt legemers dynamikk

F B L/2. d A. mg Mg F A. TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 6. Oppgave 1

Kinematikk i to og tre dimensjoner

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110/Fys-mef1110 høsten 2007

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

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Juni 2011

RF3100 Matematikk og fysikk Regneoppgaver 7 Løsningsforslag.

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

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

Norges Informasjonstekonlogiske Høgskole

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

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

Fiktive krefter. Gravitasjon og planetenes bevegelser

UNIVERSITETET I BERGEN

Newtons lover i én dimensjon

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

Newtons lover i én dimensjon

EKSAMENSOPPGA VE. Fagnr: FO 44JA Dato: Antall oppgaver:

Kap Rotasjon av stive legemer

Eksamensoppgave TFOR0102 FYSIKK. Bokmål. 15. mai 2018 kl

Newtons lover i én dimensjon

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

Keplers lover. Statikk og likevekt

EKSAMEN 07HBINEA, 07HBINET, 07HBINDA, 07HBINDT

Løsningsforslag til MEF1000 Material og energi - Kapittel 2 Høsten 2006

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 19/3 2018

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

Krefter, Newtons lover, dreiemoment

UNIVERSITETET I OSLO

Høgskolen i Agder Avdeling for EKSAMEN

Stivt legemers dynamikk

FY0001 Brukerkurs i fysikk

T 1 = (m k + m s ) a (1)

Repetisjon

Norsk Fysikklærerforening Norsk Fysisk Selskaps faggruppe for undervisning

Repetisjonsoppgaver kapittel 0 og 1 løsningsforslag

EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er på 5 sider inklusiv forside Kontaktperson under eksamen: Stian Normann Anfinsen Telefon:

Transkript:

Q1-1 To problemer i mekanikk (10 poeng) Vær vennlig å lese de generelle instruksjonene i den separate konvolutten før du begynner på dette problemet. Del A. Den gjemte disken (3,5 poeng) Vi ser på en massiv tresylinder med radius r 1 og tykkelse h 1. Et sted inne i tresylinderen har treet blitt erstattet av en metalldisk med radius r 2 og tykkelse h 2. Metalldisken er plassert på en slik måte at dens symmetriakse B er parallell med symmetriaksen til tresylinderen, og er plassert med samme avstand til topp- og bunnstykket av tresylinderen. Vi kaller avstanden mellom og B for d. Massetettheten til treverket er ρ 1, massetettheten til metallet er ρ 2 > ρ 1. Den totale massen av tresylinderen og metalldisken er M. I denne oppgaven plasserer vi tresylinderen slik at den kan rulle fritt til venstre og høyre. e Fig. 1 for å se oppsettet fra siden og fra toppen. Målet med denne oppgaven er å bestemme størrelsen og posisjonen til metalldisken. I det følgende kan du alltid anta at følgende er kjent når du blir spurt om å uttrykke resultatet med kjente størrelser: Målet er å bestemme r 2, h 2 og d, ved indirekte målinger. r 1, h 1, ρ 1, ρ 2, M. (1) a) b) B r 1 r 2 d r 2 h 1 h 2 r 1 B Figur 1: a) ett fra siden, b) sett fra toppen Vi kaller avstanden mellom massesenteret C til hele systemet og symmetriaksen til tresylinderen for b. For å bestemme denne avstanden, setter vi opp det følgende eksperimentet: Vi plasserer tresylinderen på en horisontal base på en slik måte at den er i en stabil likevektsstilling. La oss nå sakte skråstille basen med en vinkel Θ (se Fig. 2). om følge av den statiske friksjonen kan tresylinderen rulle fritt uten å gli. Den vil rulle litt ned skråplanet, men den legger seg til ro i en stabil likevektsstilling etter å ha rotert en vinkel φ som vi måler.

Q1-2 ϕ Θ Figur 2: ylinderen på et skråplan. A.1 Finn et uttrykk for b som en funksjon av størrelsene (1), vinkelen φ og helningsvinkelen Θ til skråplanet. 0.8pt Fra nå av kan vi anta at verdien til b er kjent. φ Figur 3: Opphengt system Vi ønsker nå å måle treghetsmomentet I til systemet med hensyn til symmetriaksen. Til dette formålet så henger vi tresylinderen opp etter symmetriaksen i en uelastisk stang. Vi vrir den så vekk fra likevektsstillingen med en liten vinkel φ og slipper den. e figur 3 for oppsettet. Vi finner at φ beskriver en periodisk bevegelse med periode T.

Q1-3 A.2 Finn bevegelseslikningen for φ. Uttrykk treghetsmomentet I til systemet rundt dens symmetriakse uttrykt ved hjelp av T, b og de kjente størrelsene (1). Du kan anta at vi bare så vidt avviker fra likevektsstillingen slik at φ alltid er veldig liten. 0.5pt Fra målingene i spørsmål A.1 og A.2 ønsker vi nå å bestemme geometrien til metalldisken inne i tresylinderen. A.3 Finn et uttryk for avstanden d som en funksjon av b og størrelsene (1). Du kan også inkludere r 2 og h 2 som variabler i uttrykket ditt etter som de vil bli beregnet i oppgave A.5. 0.4pt A.4 Finn et uttrykk for treghetsmomentet I uttrykt ved b og de kjente størrelsene (1). Du kan også inkludere r 2 og h 2 som variabler i uttrykket ditt etter som de vil bli beregnet it oppgave A.5. 0.7pt A.5 Ved å bruke alle resultatene funnet ovenfor, skriv ned et uttrykk for h 2 og r 2 uttrykt ved hjelp av b, T og de kjente størrelsene (1). Du kan uttrykke h 2 som en funksjon av r 2. 1.1pt Del B. Roterende romstasjon (6,5 poeng) Alice er en astronaut som lever å en romstasjon. Romstasjonen er et gigantisk hjul med radius R som roterer rundt sin akse, og derved gir kunstig gravitasjon for astronautene. Astronautene bor på innsiden av felgen på hjulet. e bort fra den gravitasjonelle tiltrekningen fra romstasjonen og krumningen av gulvet. B.1 Med hvilken vinkelfrekvensen(/vinkelfart) ω ss roterer romstasjonen slik at astronautene opplever den samme gravitasjonen g E som på jordas overflate? 0.5pt Alice og astronautvennen hennes, Bob, har en diskusjon. Bob tror ikke at de faktisk lever på en romstasjon og hevder at de er på jorda. Alice ønsker å bevise for Bob at de bor på en roterende romstasjon ved hjelp av fysikk. Til dette formålet fester hun gjenstand med masse m i en fjær med fjærkonstant k og lar den svinge (oscillere). Gjenstanden svinger bare i vertikal retning og kan ikke bevege seg horisontalt. B.2 Ved å anta at jordas gravitasjon er konstant med tyngdeakselerasjon g E, hva ville vinkelfrekvensen til svingningene ω E bli målt til av en person på jorden? 0.2pt B.3 Hvilken vinkelfrekvens til svingningene ω måler Alice på romstasjonen? 0.6pt Alice er overbevist om at hennes eksperiment beviser at de er på en roterende romstasjon. Bob forblir skeptisk. Han hevder at når man tar hensyn til endringen i gravitasjonen som følge av høyden over jordoverflaten, vil man finne liknende effekter. I de følgende oppgavene undersøker vi om Bob har rett.

Q1-4 R ω ss Figur 4: Romstasjon B.4 Finn et uttrykk for tyngdeakselerasjonen g E (h) for små høyder h over jordoverflaten og beregn svingefrekvensen ω E til den svingende gjenstanden (lineær tilnærming er nok). Kall jordradien R E. e bort fra jordrotasjonen. 0.8pt Faktisk finner Alice ut at for denne romstasjonen så svinger fjærpendelen med frekvensen som Bob forutså. B.5 For hvilken radius R av romstasjonen vil svingefrekvensen ω være den samme som svingefrekvensen ω E på jorda? Uttrykk svaret ved hjelp av R E. 0.3pt Oppgitt over Bobs stahet finner Alice på et eksperiment for å bevise poenget sitt. Derfor klatrer hun opp i et tårn med høyde H over gulvet til romstasjonen og slipper en gjenstand. Dette eksperimentet kan forstås både i det roterende referansesystemet såvel som i et treghetssystem. I et jevnt roterende referansesystem vil astronautene oppfatte en fiktiv kraft F C kalt Coriolis-kraften. Kraften F C virker på en gjenstand med masse m som beveger seg med en hastighet v i et roterende referansesystem med konstant vinkelfrekvens ω ss gitt ved Uttrykt med skalarstørrelser kan du bruke F C = 2mv ω ss. (2) F C = 2mvω ss sin φ, (3) hvor φ er vinkelen mellom farten og rotasjonsaksen. Kraften er vinkelrett på både farten v og rotasjonsaksen. Fortegnet til kraften kan bestemmes ved hjelp av høyrehåndsregelen, men i det følgende kan du velge den fritt.

Q1-5 B.6 Beregn den horisontale farten v x og den horisontale forskyvningen d x (relativt til grunnflaten til tårnet, i retningen vinkelrett på tårnet) til gjenstanden i det den treffer gulvet. Du kan anta at høyden H til tårnet er liten slik at akselerasjonen som er målt av astronautene er konstant gjennom hele fallet. Du kan også anta at d x H. 1.1pt For å få et godt resultat bestemmer Alice seg for å gjennomføre eksperimentet fra et mye høyere tårn enn tidligere. Til hennes overraskelse treffer gjenstanden gulvet ved bunnen av tårnet slik at d x = 0. B.7 Finn den laveste høyden på tårnet hvor det kan skje at d x = 0. 1.3pt Alice er villig til å gjøre et siste forsøk for å overbevise Bob. Hun ønsker å bruke fjæroscillatoren til å vise effekten av Coriolis-kraften. Hun endrer derfor det opprinnelige oppsettet: Hun fester fjæren til en ring som kan gli fritt på en horisontal stang i x-retning uten friksjon. Fjæren svinger i y-retning. tangen er parallell med gulvet og er vinkelrett på rotasjonsaksen til romstasjonen, med y-retningen pekende rett inn mot rotasjonssenteret for romstasjonen. d y = 0 Figur 5: Oppsett. B.8 Alice trekker gjenstanden i en avstand d nedover fra likevektsstillingen x = 0, y = 0, og slipper den (se figur 5). Finn et algebraisk uttrykk for x(t) og y(t). Du kan anta at ω ss d er liten og du kan se bort fra Coriolis-kraften for bevegelsen langs y-aksen. kisser banen (x(t), y(t)), og marker alle viktige karakteristiske egenskaper slik som amplitude. 1.7pt Alice og Bob fortsetter å argumentere.