Transcript Document
Kap 10 Rotasjonsdynamikk Kraftmoment Vektstang r1 r2 F2 F1 Balanse når r1 F1 r2 F2 Produktet av arm r og kraft F kalles for kraftmoment r F Kraftmoment Varierende arm Kraftmoment = Arm x Kraft r F Kraftmoment Positiv omløpsretning l F 1 1 1 l F 2 2 2 Kraftmoment Dekomponering av kraft r Ftan r F sin l F Kraftmoment Eks 10_01 r F 190 rF sin 0.80m900N sin1090 680Nm r 1090 F Kraftmoment Definisjon - Kraftmoment som vektor F r O r Ftan r F sin l F r x F Kraftmoment og vinkelakselerasjon Kraftmomentloven I r x F i ri Fi ri [ Firad Fi tan Fiy ] Fi tan mi ai tan mi ri iy ri Fi tan mi ri 2 y iy ( mi ri 2 ) I y I I Kraftmoment Eks 10_02 Bestem kabelens akselerasjon rF I a r 2 F (0.06m)2 9.0 N rF r a r r r 0.36 m I I I 0.090kgm2 s2 Kraftmoment Eks 10_03 mgT ma RT I 1 MR 2 2 a R I a R R K T T mg I R RT 1 MR 2 2 Ma 2m g 2m a 2m a Ma 2m g ( 2m M ) a 2m g Mg 2m g 1 a g M 2m M 1 Bestem 2m loddets akselerasjon 2T 2( m g m a) M M Kraftmoment Eks 10_04 T1 m1a m2 g T2 m2 a RT2 RT1 I N T1 m1g T1 1 MR 2 2 a R I K T2 Mg T2 m2g a 1 m M 1 1 m2 2 m2 g Bevegelig rotasjonsakse - ri rcm i vi vcm i a a i cm i ai acm i ( i ) Kraftmoment mht cm mi x i y x ( x i) i cm O rcm x Fi mi ai ( cm )i i Fi i mi ai i mi acm i ( i ) cm ( cm )i ( mi i ) acm ( mi i 2 ) Icm cm Icm cm Icm Kraftmoment mht en vilkårlig akse på legemet mi y i ri cm o ri Fi O o (rcm i ) Fi rcm Fi i Fi rcm F Icm o rcm macm Icm I cm / o cm o rcm mao a o rcm mao rcm ( rcm ) Icm o rcm mao rcm Icm rcm x Kraftmoment mht en vilkårlig akse på legemet o rcm mao rcm Icm 2 o (Icm mrcm ) Io når 1. 2. 3. ao 0 ao || rcm rcm 0 o Io Kraftmoment når Eks 10_05 Akse i cm cm RT RMg cm Icm I 0 0 0 I Icm Md 2 1 MR 2 MR 2 3 MR 2 0 2 2 Icm 1 MR 2 2 T acm R acm 2 g 3 ao 0 ao || rcm rcm 0 Akse i O Mg T Macm Mg T Macm ao || rcm 1. 2. 3. acm R Mg acm 2 g 3 Kinetisk energi til et stivt legeme 1 = + Bevegelsen kan betraktes som sammensatt av translatorisk bevegelse av masse-senteret pluss rotasjon om masse-senteret eller ren rotasjon om et punkt som er i ro. = K 1 Mvcm2 1 Icm 2 1 I 2 2 2 2 0 Kinetisk energi til et stivt legeme 2 ri rcm i vi vcm vi ' mi y hvor vi ' i i ri K Ki 1 mivi 2 1 mi (vcm vi ' )2 2 2 K 1 ( mi )vcm2 vcm ( mivi ') 1 ( mivi '2 ) 2 2 M Icm 2 0 cm rcm O x = K 1 Mvcm2 1 Icm 2 2 2 + Bevegelsen kan energimessig betraktes som sammensatt av translatorisk bevegelse av masse-senteret pluss rotasjon om masse-senteret. Kinetisk energi til et stivt legeme 3 ri ro i vi vo vi ' mi y hvor vi ' i i ri K Ki 1 mivi 2 1 mi (vo vi ' )2 2 2 K 1 ( mi )vo2 vo ( m v ' ) 1 ( mivi '2 ) i i 2 2 M Io 2 1 K I o 2 2 når o ro O x = vo 0 Totalbevegelsen om et vilkårlig punkt (på legemet) som er i ro kan energimessig betraktes som en ren rotasjon om dette punktet. Yoyo Eks 10_08 a Bestem hastigheten til jo-jo’ens masse-senter etter et fall på en strekning h. Mg T Macm a RT Icm 1 MR2 1 MR2 cm 2 2 R acm 2 g 3 vcm 2 (vcm ) 2 2acm h 0 vcm 4 gh 3 v (vcm ) acmt 0 cm 1 ) t acmt 2 h (v cm 0 2 Yoyo Eks 10_08 b Bestem hastigheten til jo-jo’ens masse-senter etter et fall på en strekning h. K 0 1 K 1 Mvcm 2 1 Icm 2 2 2 2 U Mgh 1 U 0 2 K U K U 1 1 2 2 0 Mgh 1 Mvcm2 1 Icm 2 0 2 2 v 0 Mgh 1 Mvcm2 1 1 MR2 ( cm )2 0 R 2 2 2 vcm 4 gh 3 Yoyo Eks 10_08 c Bestem hastigheten til jo-jo’ens masse-senter etter et fall på en strekning h. K 0 1 1 1 3 K 1 Io 2 = ( MR 2 + MR 2 ) 2 = MR 2 2 2 2 2 2 4 U Mgh 1 U 0 2 K U K U 1 1 2 2 vcm 4 gh 3 Siden kontaktpunktet O mellom hjul og snor er i ro, kan vi betrakte bevegelsen som en ren rotasjon om O. Rullende legemer Eks 10_09 2 MR 2 5 1 Massiv sylinder I MR 2 2 2 Hul kule I MR 2 3 Hul sylinder I 1MR 2 Massiv kule K 0 1 U Mgh 1 K 1 Mvcm2 1 Icm 2 2 2 2 K U K U 1 1 2 2 Icm fMR2 2 gh vcm 1 f U 0 2 I 2 5 1 f 2 2 f 3 f 1 f 2 gh vcm 1 f Hastigheten vcm er uavhengig av M og R. Alle ikke-hule sylindre har samme hastighet. Alle hule kuler har samme hastighet. 0 f 1 Liten f medfører stor hastighet. Lite energi er bundet opp i rotasjon og er istedet tilknyttet translasjon. Arbeid og effekt ved rotasjon ds Ftan R d dW Ftan ds Ftan Rd d Id I d d I d d Id dt dt 2 2 W d Id 1 I 2 1 I 2 2 2 2 1 1 1 P dW d dt dt Arbeid / Effekt Eks 10_10 En bilmotor til Toyota Supra 6 yter 200hp ved 6000rpm. Bestem tilhørende kraftmoment. P P 200hp 200 746W 237 Nm 6000rpm 6000 2 60s Arbeid / Effekt Eks 10_11 En elektrisk motor yter et kraftmoment på 10Nm. Treghetsmomentet er 2.0kgm2. Bestem arbeidet utført i løpet av de første 8.0 sekunder. t t t 2 8.0s 2 1 2 8.0s 2 2 2 2 W d dt tdt tdt 1600 J tdt I 2 t I I 0 t t t 0 1 1 1 1 Angulært moment (Spinn) Definisjon v m r L r p r mv F ma r F p mv Lrp Angulært moment for et system av partikler Rotasjon vi = ri mi r L r p r mv L Li ri mi vi ri mi ri ( mi ri ) I 2 L I Tids-derivert av angulært moment = Kraftmoment Spinn-satsen L r mv dL L r mv r mv v mv r ma r ma r F dt 0 L L dL dt v m r Den tidsderiverte av det angulære momentet er lik kraftmomentet. Når kraftmomentet på et system er null, vil angulært moment være bevart. Relasjon mellom angulært moment og kraftmoment for et system av partikler Spinn-satsen vi vo ri Lo (ri mivi ) Lo (ri mivi ) (ri mivi ) Lo (ri mivo ) (ri mi ri ) (ri mi ai ) Lo vo mi ri 0 (ri Fi ) Lo vo mvcm o Lo vo mvcm o vi mi O ri 2,3 1,3 1,2,3 Lo o når vo || vcm 1. 2. 3. vo 0 vcm 0 vo || vcm Flymotor Bestem angulært moment og kraftmoment på flymotoren når treghetsmomentet og vinkelhastigheten som funksjon av tiden er gitt. (t ) kt2 k 400s 3 L(t ) I Ikt2 2.5kgm2 400s 2 t 2 1000kgm2s 3 t 2 L(2s) 1000kgm2s 3 (2s)2 4000kgm2s 1 (t ) L 1000kgm2s 3 2t 2000kgm2s 3t (2s) 2000kgm2s 3 2s 4000 Nm Ballerina Ingen ytre kraftmoment medfører at angulært moment er bevart 0 L L I kons tan t I I 1 1 2 2 Nøytron-stjerne 0 L L I kons tan t I I 1 1 2 2 2 I MR2 5 R 7.0 108 m 2 omdr 7.0 108 m 2 omdr 2 1 ( ) ( ) 1 ( ) 1 2 R 1 mnd 30 24 60 60s 1.6 10 4 m 1.6 10 4 m 2 7.0 108 m 2 omdr omdr ( ) 3.9 10 7 750 s s 1.6 10 4 m En stjerne på størrelse med solen og en rotasjonstid på en måned, vil etter kollaps til en nøytron-stjerne med radius 16 km rotere med en vinkelhastighet på 750 omdreininger pr sekund. Clutch Ingen ytre kraftmoment medfører at angulært moment er bevart I I ( I I ) A A B B A B I I A A B B I I A B Angulært moment - Eks En kule med masse 10gram avfyres med en fart av 400m/s mot sentret av en 1m lang og 15kg tung dør. Bestem dørens vinkelhastighet etter støtet. Linit L final mvl I m 0.50m 0 . 010 kg 400 mvl mvl s mvl 0.40s 1 I I I 1 1 door bullet 3 ML2 ml 2 3 15kg (1..0m)2 0.010kg (0.50m)2 Gyroskop Innretning som demonstrerer prinsippet om bevaring av angulært moment. Benyttes til orientering i rommet og/eller holde fast et legeme i en bestemt orientering. Oppfunnet av Gottlieb Friedrich von Bohnenberger i 1817. Gyroeffekt Riflet løp gjør det enklere å fjerne kruttslam. Kula får gyrokopisk stabilitet. Amerikansk fotball vil ved rotasjon oppnå gyroskopisk stabilitet, den blir mer treffsikker, raskere, stabil og ha større rekkevidde. Gyroeffekt L F Helikopterets stikke styrer rotorbladene slik at de kan ha forskjellig angrepsvinkel og dermed forskjellig løft i ulike retninger. Når helikopterets stilling skal forandres slik at rotorens akseretning endres, må rotorbladene gi øket eller redusert løft 90 grader før punktet der rotoren skal løftes eller senkes. Gyroeffekt - Gyrokompass - Elektronisk kompass Raskt roterende svinghjul (gyroskop) parallelt med jordaksen (mot Polarstjernen) eller parallelt med horisontalplanet. GPS-mottaker for å kalkulere retningsinformasjon. Elektronisk kompassmodul som er magnetoressistivt metall hvor den elektriske motstanden endres lineært ved endring av vinkel i forhold til jordas magnetfelt. Gyroskop Endring pr tidsenhet av angulært moment L er lik kraftmoment L I L | dL | d | L | wR L I dt dt L dL dt dL dt Gyroskop r L F L dL dt dL dt Sykkel L1 L2 dL1 L dL2 Fn L Fp L2 L2 dL3 Forandring av angulært moment L dL dt dL dt Skiven er i ro Skiven roterer Bevaring av angulært moment Person + Hjul L dL dt Bevaring av angulært moment Metallskive L dL dt END