Bevegelse med friksjon nedover en kuleoverflate

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

lny = (lnx) 2 y y = 2lnx x y = 2ylnx x = 2xlnx lnx

RF3100 Matematikk og fysikk Regneoppgaver 7 Løsningsforslag.

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

Løsningsforslag for øvningsoppgaver: Kapittel 14

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

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

Keplers lover. Statikk og likevekt

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

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

. Følgelig er csc 1 ( 2) = π 4. sinθ = 3

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

TFY4108 Fysikk: Løysing kontinuasjonseksamen 13. aug. 2014

Mat503: Regneøving 3 - løsningsforslag

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS120 VÅR 2017

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

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

UNIVERSITETET I OSLO

FYSIKK-OLYMPIADEN

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

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

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

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

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

Statikk og likevekt. Elastisitetsteori

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

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: LØSNINGSFORSLAG

Kap Rotasjon av stive legemer

Løsningsforslag til øving 5

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

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

Vektorstørrelser (har størrelse og retning):

Plan. I dag. Neste uke

Løsningsforslag AA6524/AA6526 Matematikk 3MX Elever/Privatister - 7. desember eksamensoppgaver.org

Øving 2: Krefter. Newtons lover. Dreiemoment.

Krefter, Newtons lover, dreiemoment

Løsningsforslag til ukeoppgave 2

EKSAMEN I TFY4145 OG FY1001 MEKANISK FYSIKK

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 19/3 2018

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 6. MgL + F B d. M + m

NTNU Fakultet for lærer- og tolkeutdanning

Matematikk og fysikk RF3100

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

Løsningsforslag eksamen TMA4105 matematikk 2, 25. mai 2005

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

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

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

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikk-OL Norsk finale 2006

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Obligatorisk numerikkøving. Innleveringsfrist: Søndag 13. november kl

Løsningsforslag eksamen TFY desember 2010.

Løsningsforslag. Eksamen i Fys-mek1110 våren 2011

Oppsummert: Kap 1: Størrelser og enheter

TFY4108 Fysikk, haust 2013: Løysing til ordinær eksamen 18. des.

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

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Kap. 3 Arbeid og energi. Energibevaring.

differensiallikninger-oppsummering

UNIVERSITETET I OSLO

Arbeid og energi. Energibevaring.

Statikk og likevekt. Elastisitetsteori

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2010

Løsningsforslag: Kontinuasjonseksamen TFY4115, august 2008

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA

Statikk og likevekt. Elastisitetsteori

. Følgelig er csc 1 ( 2) = π 4. sin θ = 3

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 3.

SIF5003 Matematikk 1, 5. desember 2001 Løsningsforslag

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.

UNIVERSITETET I OSLO

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

MAT Vår Oblig 2. Innleveringsfrist: Fredag 23.april kl. 1430

Svar: Vi bruker Ampères lov for å finne magnetfeltet en avstand r fra lynet.

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1001

UNIVERSITETET I OSLO

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 1 Elektrisitet og magnetisme

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2008

UNIVERSITETET I BERGEN

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

6. Rotasjon. Løsning på blandede oppgaver.

Fasit til obligatorisk oppgave i MAT 100A

FY0001 Brukerkurs i fysikk

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX Elever 7. juni eksamensoppgaver.org

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

Løsningsforslag Obligatorisk oppgave 1 i FO340E

Matematikk 3MX AA6524 og AA6526 Elever og privatister 8. desember 2003

TFY4104 Fysikk Eksamen 4. desember Løsningsforslag. 1) m = ρv = ρ 4πr 2 t = π g 24g. C

Kap Rotasjon av stive legemer

TFY4108 Fysikk: Løysing ordinær eksamen 11. des. 2014

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

Repetisjonsoppgaver kapittel 0 og 1 løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

FY1001/TFY4145 Mekanisk fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Veiledning: november. Innleveringsfrist: Onsdag 16. november kl 14.

2 n+2 er konvergent eller divergent. Observer først at; 2n+2 2 n+2 = n=1. n=1. 2 n > for alle n N. Denne summen er.

Transkript:

Bevegelse med friksjon nedover en kuleoverflate Geir-Arne Fuglstad Geir Bogfjellmo 9. oktober 2006 Innhold 1 Generelle lover 2 1.1 Newtons 2. lov............................ 2 1.2 Friksjonsarbeid............................ 2 1.3 Energibevaringsloven......................... 2 2 Generell løsning av differensiallikning 3 3 Spesifike løsninger 4 3.1 Med antagelse sklir hele veien.................... 4 3.2 Med korrekt start av skliing..................... 5 1

1 Generelle lover 1.1 Newtons 2. lov Fra Newtons 2. lov radielt får vi 1.2 Friksjonsarbeid F res,r = ma (1) F res,r = mv 2 /R (2) mg cos θ mv 2 /R (3) m(g cos θ v2 R ) (4) Videre antar vi en konstant friksjonskoeffisent µ k oppgitt, og friksjonsarbeidet blir W f = W f = θ µ k F N ds (5) θ µ k m(g cos θ v2 R )R dθ (6) 1.3 Energibevaringsloven I tillegg har vi av energibevaringsloven: E = E 0 + W f (7) mgr cos θ + 1 2 mv2 = mgr cos θ µ k m(g cos θ v2 R )R dθ (8) θ µ k R (g cos θ v2 R ) dθ = gr(cos θ cos ) + 1 2 v2 (9) 2

2 Generell løsning av differensiallikning Vi deriverer så på begge sider av ligningen d θ dθ ( µ kr (g cos θ v2 R )dθ) = d dθ (gr(cos θ cos ) + 1 2 v2 ) (10) µ k (gr cos θ v 2 ) = gr sin θ + v v (11) v v + µ k v 2 = gr(µ k cos θ sin θ) (12) 2v v 2µ k v 2 = 2gR(sin θ µ k cos θ) (13) Vi ganger så ligningen med en faktor e 2µ kθ 2v v e 2µ kθ 2µ k e 2µ kθ v 2 = 2gRe 2µ kθ (sin θ µ k cos θ) (14) Hvilket kan forenkles til d dθ (v2 e 2µ kθ ) = 2gRe 2µ kθ (sin θ µ k cos θ) (15) v 2 e 2µ kθ = 2 gre 2µ kθ (sin θ µ k cos θ)dθ (16) = 2Rg( e 2µ kθ cos θ 4µ 2 k + 1 2µ ke 2µkθ sin θ 4µ 2 k + 1 ) 2gRµ k ( 2µ ke 2µkθ cos θ 4µ 2 k + 1 + e 2µkθ sin θ 4µ 2 k + 1 )+C (17) v 2 e 2µ kθ = 2gRe 2µ k θ ( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ) 4µ 2 k +1 + C (18) v 2 = 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ) 4µ 2 k +1 + Ce 2µ kθ (19) 3

3 Spesifike løsninger 3.1 Med antagelse sklir hele veien Ser vi først på situasjonen der vi antar at han glir hele tiden må startfart være lik 0, altså v 2 (0) = 0. 2gR( cos 0 3µ k sin 0 + 2µ 2 k cos 0) 4µ 2 k + 1 + Ce 2µ k 0 = 0 (20) Hvilket gir følgende uttrykk C = 2gR(2µ2 k 1) 4µ 2 k +1 (21) v 2 (θ) = 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ) 4µ 2 k +1 2gR(2µ2 k 1) 4µ 2 k +1 e 2µ kθ (22) v 2 (θ) = 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ+e2µ k θ 2e 2µ k θ µ 2 k ) 4µ 2 k +1 (23) Vi har nå et utrykk for kvadratet av farten uttrykt ved vimkelen, vi setter dette inn i det første uttrykket for normalkraften. m(g cos θ 1 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ+e2µ k θ 2e 2µ k θ µ 2 k ) R 4µ 2 k +1 ) (24) mg(3 cos θ+6µ k sin θ 2e 2µ k θ +4e 2µ k θ µ 2 k ) 4µ 2 k +1 (25) Vi vet at personen vil lette når normalkraften er 0, 0 mg(3 cos θ + 6µ k sin θ 2e 2µ kθ + 4e 2µ kθ µ 2 k ) 4µ 2 k + 1 = 0 (26) 3 cos θ + 6µ k sin θ 2e 2µ kθ + 4e 2µ kθ µ 2 k = 0 (27) 3 cos θ + 6µ k sin θ = 2(1 2µ 2 k )e2µ kθ (28) Dette er en funksjon vi ikke klarer å løse, definerer derfor en funksjon H som er forskjellen på de to sidene av likningen H(θ) = 3 cos θ + 6µ k sin θ 2(1 2µ 2 k )e2µ kθ (29) H (θ) = 3 sin θ + 6µ k cos θ 4(1 2µ 2 k )µ ke 2µ kθ (30) Bruker så Newtons metode for å approksimere løsningen med start = 1.00rad, i tillegg er en betingelse i oppgaven at µ k = 0.30 θ n = θ n 1 H(θ n 1) H (θ n 1 ) (31) 4

θ n = θ n 1 3 cos θ n 1 + 6µ k sin θ n 1 2(1 2µ 2 k )e2µ kθ n 1 3 sin θ n 1 + 6µ k cos θ n 1 2(2 4µ 2 k )µ ke 2µ kθ n 1 (32) θ 1 = 1.044032042 (33) θ 2 = 1.042879085 (34) θ 3 = 1.042878299 (35) θ 4 = 1.042878299 (36) θ 1.042878299 rad = (1.042878299 180 π ) (37) θ 59.75252506 (38) Han faller alstå av ved 59.75252506 ved de gitte betingelsene, eller 59.8 som kanskje ville vært mer hensiktsmessig med tanke på usikkerheten i oppgitte verdier. 3.2 Med korrekt start av skliing Det står i oppgaveteksten at man skal anta at personen sklir hele veien, noe som ikke er særlig rimelig å anta ettersom friksjonen vil gjøre at det først er mulig å gli når gravitasjonskraftens tangentielle komponent overstiger friksjonskraften. Da det er ingen bevegelse får vi ved å anta at statisk friksjonskoeffisent er lik dynamisk koeffisent ved Newtons 2. lov med maks statisk friksjonskraft F res,t = mg sin θ s µ k 0 (39) 0 = mg sin θ s µ k mg cos θ s (40) tan θ s = µ k (41) θ s = arctan µ k (42) Ser vi videre på situasjonen med korrekt utregnelse bare for området han faktisk sklir får vi v 2 (arctan µ k ) = 0. 2gR( cos (arctan µ k ) 3µ k sin (arctan µ k ) + 2µ 2 k cos (arctan µ k)) 4µ 2 k + 1 +Ce 2µ k arctan µ k ) = 0 (43) C = Hvilket gir følgende uttrykk 2gR 1 + µ 2 k e 2µ k arctan µ k(4µ 2 k + 1) (44) v 2 (θ) = 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ) 4µ 2 k +1 + 2gR 1+µ 2 k 4µ 2 k +1 e 2µ kθ 2µ k arctan µ k (45) 5

Vi har nå et utrykk for kvadratet av farten uttrykt ved vinkelen, vi setter dette inn i det første uttrykket for normalkraften. m(g cos θ 1 R ( 2gR( cos θ 3µ k sin θ+2µ 2 k cos θ 4µ 2 k +1 (46) + 2gR 1+µ 2 k 4µ 2 k +1 e 2µ kθ 2µ k arctan µ k )) (47) mg(3 cos θ+6µ k sin θ 2 1+µ 2 k e2µ k θ 2µ k arctan µ k ) 4µ 2 k +1 (48) Vi vet at personen vil lette når normalkraften er 0, 0 mg(3 cos θ + 6µ k sin θ 2 1 + µ 2 k e2µ kθ 2µ k arctan µ k ) 4µ 2 k + 1 = 0 (49) 3 cos θ + 6µ k sin θ 2 1 + µ 2 k e2µ kθ 2µ k arctan µ k = 0 (50) 3 cos θ + 6µ k sin θ = 2 1 + µ 2 k e2µ kθ 2µ k arctan µ k (51) Dette er en funksjon vi ikke klarer å løse, definerer derfor en funksjon H som er forskjellen på de to sidene av likningen H(θ) = 3 cos θ + 6µ k sin θ 2 1 + µ 2 k e2µ kθ 2µ k arctan µ k (52) H (θ) = 3 sin θ + 6µ k cos θ 4µ k 1 + µ 2 k e 2µ kθ 2µ k arctan µ k (53) For å løse det problemet med startvinkel der han faktisk begynner å skli kan denne likningen brukes for en vilkårelig µ k. I vårt tilfelle bruker vi Newtons metode for å approksimere løsningen med start = 1.00rad, med betingelsen µ k = 0.30 gitt i oppgaven. θ n = θ n 1 H(θ n 1) H (θ n 1 ) (54) θ n = θ n 1 3 cos θ n 1 + 6µ k sin θ n 1 2 1 + µ 2 k e2µ kθ n 1 2µ k arctan µ k 3 sin θ n 1 + 6µ k cos θ n 1 4µ k 1 + µ 2 k e 2µ kθ n 1 2µ k arctan µ k (55) θ 1 = 0.9830684316 (56) θ 2 = 0.9828873329 (57) θ 3 = 0.9828873124 (58) θ 4 = 0.9828873124 (59) Han faller alstå av ved 56.3. θ 0.9828873124 rad = (0.9828873124 180 π ) (60) θ 56.31529471 (61) 6