Newtons lover i én dimensjon () 7.1.14 oblig #1: prosjekt 5. i boken innlevering: mandag, 3.feb. kl.14 papir: boks på ekspedisjonskontoret elektronisk: Fronter data verksted: onsdag 1 14 fredag 1 16 FYS-MEK 111 7.1.14 1
Identifikasjon av kreftene: 1. Del problemet inn i system og omgivelser.. Tegn figur av objektet og alt som berører det. 3. Tegn en lukket kurve rundt systemet. 4. Finn kontaktpunkter hvor kontaktkrefter angriper. 5. Navngi kontaktkrefter og definer symboler. 6. Identifiser langtrekkende krefter og definer symboler. 7. Tegn objektet med skalerte krefter. 8. Tegn inn koordinatsystemet. Newtons andre lov: F net Fi i ma summen av alle ytre krefter som påvirker objektet og har årsak i omgivelsen. fri-legeme diagram FYS-MEK 111 7.1.14
http://pingo.upb.de/ access number:718 En vogn står på en friksjonsfritt overflate. En kraftsensor på vognen er festet med en snor til en masse m som henger ned som vist i figuren. I starten holder du vognen. Når du slipper den, så vil spenning i snoren øke bli det samme minke når du holder vognen: T når du slipper: T T mg mg T ma mg mg FYS-MEK 111 7.1.14 3
Newtons første lov: Alle legemer bevarer sin tilstand av ro eller jevn bevegelse i en rett linje, dersom det ikke blitt tvunget til å endre denne tilstand av krefter som blir påført. spesiell tilfelle som følger fra Newtons andre lov: Fnet ma dv a dt v konst. husk: det gjelder bare for inertialsystemer. FYS-MEK 111 7.1.14 4
Kraftmodeller Gravitasjon F fra B påa mm r 3 AB r AB langtrekkende kraft på jorden F mm m mg g 9.81 r s AB (rettet mot jordens senteret) FYS-MEK 111 7.1.14 5
viskøs kraft for små hastigheter Eksempel: en ball beveger seg gjennom luften luften må flytte seg og strømme rundt ballen luftmotstand små hastighet jevnt strømning erfaring: luftmotstand er hastighetsavhengig empirisk modell fra eksperimenter F D k v v mot bevegelsesretning tilnærming for små hastighet for sfære med radius R og væske med viskositet : k v 6R 1.81 5 Ns m luft: vann: 1.1 3 Ns m FYS-MEK 111 7.1.14 6
viskøs kraft for større hastigheter større hastighet turbulent strømning undertrykk bak objektet empirisk modell fra eksperimenter F D Dv mot bevegelsesretning tilnærming for stor hastighet for en sfære med radius R og en væske med tetthet : D 1. R Du behøver ikke huske uttrykket for k v og D, men du bør huske F k v for små hastighet D v F D Dv for stor hastighet FYS-MEK 111 7.1.14 7
http://pingo.upb.de/ access number:718 To stålkuler med radius R og R synker i en stor sylinder med olje. Du måler tiden som kulene bruke for å komme fra den øvre til den nedre markeringen. Hvis tiden du måler for den store kulen er t s og tiden for den lille kulen er t l så er: t l =.5 t s t l = t s t l = t s t l = 4 t s t l = 8 t s FYS-MEK 111 7.1.14 8
Stålkuler som synker i olje F D F D k v v mg når F D blir like stor som gravitasjonskraft nettokraft er null bevegelse uten akselerasjon terminalhastighet terminalhastighet: mg k v v t v t mg k v mg 6R for en kule: 4 m R 3 3 v t R FYS-MEK 111 7.1.14 9
http://pingo.upb.de/ access number:718 Er det raskere å svømme i vann ( = 1.1-3 Ns/m ) eller i sirup ( = 1.91-3 Ns/m )? raskere i vann like rask raskere i sirup avhengig av teknikken eksperiment ved University of Minnesota: B. Gettelfinger, E.L. Cussler, Am. Inst. Chem. Eng. J. 5, 646 (4). se også: Mythbusters episode 6 (9) FYS-MEK 111 7.1.14 1
Fjærkraft Eksperiment: vi måler kraften som trengs for å strekke en fjær. Hookes lov: F kl k: fjærkonstant L L L L : likevektslengde stiv fjær myk fjær pass på fortegn: L kan også være negativ. Bruk intuisjon! Vi skriver ofte: F kl FYS-MEK 111 7.1.14 11
Eksempel: Et lodd av masse m = 1 kg er festet til en fjær med fjærkonstant k = N/m. Beregn elongasjonen til fjæren hvis klossen er i ro. x Systemet er i likevekt Vi måler posisjonen til loddet oppover. kontaktkraft F fra fjæren til loddet gravitasjonskraft G Kraftmodell: Newtons andre lov: F kl L L L F net L L kl mg L mg k L ma 1kg 9.81m/s N/m L 4.9cm 4.9cm G mg FYS-MEK 111 7.1.14 1
Eksempel: En masse m = 1 kg er festet til en fjær med fjærkonstant k = 1 N/m og kan bevege seg på et bord uten friksjon og luftmotstand. Massen beveger seg med v = 1 m/s ut fra likevektsposisjon. kontaktkrefter: kraft F fra fjær til massen normalkraft N fra bordet til massen langtrekkende kraft: gravitasjonskraft G Normalkraft kompenserer gravitasjon: ingen bevegelse i y retning. N G kraft F fra fjær til massen: F kl vi definerer x = i likevektsposisjon; hvis x > trekker kraften i negativ x retning: F kx initialbetingelser: NL: F x F kx ma a k m x x( t v( t ) m ) 1m/s FYS-MEK 111 7.1.14 13
Numerisk løsning med Euler-Cromer: massen svinger frem og tilbake vi leser fra diagrammet: x max =.1 m v max = 1 m/s ved x = m Hva er perioden for svingning? FYS-MEK 111 7.1.14 14
Analytisk: a F kx d x dt k m x initialbetingelser: x( t v( t ) m ) 1m/s ansatz: x( t) Asin( t) Bcos( t) dx v( t) Acos( t) Bsin( t) dt a( t) dv dt d x dt Asin( t) Bcos( t) x( t) m k 1 N/m 1s 1kg frekvens: stiv fjær eller liten masse rask svingning 1 x( ) B v( ) A v v 1m/s A -1 1s v x( t) sin( t) v( t) v cos( t) amplitude: høy initialhastighet stor amplitude.1m FYS-MEK 111 7.1.14 15
Eksempel: bungee jump En person av masse m = 7 kg hopper med en strikk av lengde d = 5 m fra en bro av høyde h = 1 m. Vi kan beskrive strikken med en fjærkonstant k = N/m og en viskøs koeffisient k v = 3 kg/s. For luftmotstanden kan vi bruke D =. kg/m. Treffer han bakken? Vi beskriver bevegelsen til hopperen. Vi måler posisjonen med x(t) oppover fra bakken. Initialbetingelser: x( t v( t t ) x ) v s 1m m/s Kontaktkrefter: kraft F fra strikken til hopperen luftmotstand F D langtrekkende krefter: gravitasjon G FYS-MEK 111 7.1.14 16
Kraftmodell: gravitasjon: luftmotstand: G -mgiˆ F D -Dv v iˆ Kraften fra strikken virker bare hvis den er strukket. elongasjon: L ( h d) x fjærkraft: F S kliˆ L L viskøs kraft avhenger av endingsraten for L: d dt d L ( h d x) dt dx dt v NL: k( h d x) iˆ k viˆ x h d v F x h d F G F D F( x, v) iˆ mgiˆ Dv v iˆ maiˆ FYS-MEK 111 7.1.14 17
FYS-MEK 111 7.1.14 18
Når slutter bevegelsen? FYS-MEK 111 7.1.14 19
http://pingo.upb.de/ access number:718 I hvilket tilfelle er tauspenningen større? Snordraget i tau 1 er større enn i tau Snordraget i tau 1 er like stort som i tau Snordraget i tau 1 er mindre enn i tau FYS-MEK 111 7.1.14
Newtons tredje lov: Enhver virkning har alltid og tilsvarende en motvirkning, eller den gjensidige påvirkning av to legemer på hverandre er alltid lik, og motsatt rettet. F fra F A påb fra B påa Newtons tredje lov forbinder krefter mellom legemer: Hvis jeg dytter på veggen, dytter veggen tilbake på meg med like stor kraft. essensiell for å beskrive systemer som består av flere legemer krefter kommer i par: kraft og motkraft kreftene i paret virker på forskjellige legemer FYS-MEK 111 7.1.14 1
Eksempel: En kloss ligger i ro på bakken. N fra J på K Oppskrift: kloss tegn alle legemer som separate systemer finn alle krefter på alle objekter W fra K på J uttrykk kreftene som F A på B finn kraft motkraft par sjekk: hver kraft har en unik motkraft W fra J på K jorden N fra K på J FYS-MEK 111 7.1.14
Eksempel N fra B på A stablete klosser N fra J på B A B W fra J på A W fra A på J W fra B på J N fra A på B jorden W fra J på B N fra B på J I praksis tegne vi diagrammer bare for de legemene vi er interessert i bevegelsen av. Vi kaller resten omgivelse og tegne ikke kreftene på omgivelsen. FYS-MEK 111 7.1.14 3
Eksempel: Mann som går bevegelse fremover på grunn av friksjonskraft: mannen dytter jorden bakover jorden dytter mannen fremover FYS-MEK 111 7.1.14 4