Transcript Lesson6.ppt

‫בס"ד‬
‫מכניקה קלאסית – תרגול מס' ‪6‬‬
‫מערכות חד‪-‬מימדיות‬
‫ותנועה בכוח מרכזי‬
‫מטוטלת פיסיקלית‬
‫‪ ‬הבעיה‪ :‬למצוא פתרון מקורב לתנועת מטוטלת פיסיקלית‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫‪T  m  2 2 ; V  m g  1  cos  ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪g‬‬
‫‪‬‬
‫‪2  1 2‬‬
‫'‪L  T  V  m     1  cos    m  2 L‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪ℓ‬‬
‫‪ ℓ‬‬
‫‪m‬‬
‫‪ ‬בהנחה של סטיות קטנות‪ ,    ,‬נקבל קירוב‪:‬‬
‫‪4‬‬
‫‪ 1 2 g  2‬‬
‫‪ 2 2 4‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos    1      L'      ‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫!‪2‬‬
‫!‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪24‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪g‬‬
‫‪ g 3‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ ‬מכאן משוואת אוילר‪-‬לגרנז'‪:‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪ 0‬‬
‫‪‬‬
‫‪6‬‬
‫‪ ‬הפתרון יהיה תנודתי‪ ,‬רק בתדירות מעודכנת‪:‬‬
‫‪   0 1    1  ‬‬
‫(כי זמן המחזור משתנה)‬
‫‪V=0‬‬
‫‪‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫מטוטלת פיסיקלית – תורת הפרעות‬
‫‪ ‬נגדיר משתנה חדש‪ ,   t :‬ובעקבותיו את הנגזרת‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪d‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪0 1  2   1  ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪d‬‬
‫‪d 2‬‬
‫‪ ‬כמו כן‪ ,‬נפתח את ‪ ‬בטור חזקות ב‪  x0     x1     : -‬‬
‫‪ ‬נציב כל זה במשוואת אוילר ונקבל‪:‬‬
‫‪ d 2 x0‬‬
‫‪d 2 x1  g‬‬
‫‪ g‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 0 1  2   1 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪x‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪x‬‬
‫‪‬‬
‫‪x‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪x‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2 ‬‬
‫‪d‬‬
‫‪‬‬
‫‪d‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪6‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪g‬‬
‫‪g‬‬
‫‪0‬‬
‫‪2 d x0‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ : 0‬‬
‫‪ ‬ולפי סדרים‪ x0  0  x0  A cos   0 ;  0  :‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫(הפתרון ההומוגני זהה לזה‬
‫‪d‬‬
‫‪x‬‬
‫‪x‬‬
‫‪d‬‬
‫‪x‬‬
‫‪g‬‬
‫‪g‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ : 0‬‬
‫‪ x1  2  0  1‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪‬‬
‫‪d‬‬
‫של סדר אפס וניתן להזניחו) ‪ 6‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫חלק לא‪-‬‬
‫מימדיות ותנועה‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬‬
‫הומוגני‬
‫בכוח מרכזי‬
‫חלק הומוגני‬
‫‪3‬‬
‫מטוטלת פיסיקלית – פתרון סדר ‪1‬‬
‫‪ ‬החלק הלא‪-‬הומוגני שווה‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪d 2 x0 g x03 g A ‬‬
‫‪A2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪ 2 1 cos   0  ‬‬
‫‪ 2 0  1‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos    0  ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪ 6‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪6‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪g A  ‬‬
‫‪A2 ‬‬
‫‪A2‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 2 1 ‬‬
‫‪ cos   0  ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos‬‬
‫‪3‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪0‬‬
‫‪‬‬
‫‪  ‬‬
‫‪8 ‬‬
‫‪24‬‬
‫‪‬‬
‫‪ cos    0  ‬רזוננטי עם החלק ההומוגני‪ ,‬ז"א גורם לאיברים לא חסומים‬
‫בפתרון‪ .‬לכן יש לאפס את המקדם שלו‪ ,‬כלומר לדרוש‬
‫‪ 1   A2 16‬‬
‫‪ ‬הפתרון הפרטי של האיבר הנותר הינו‬
‫‪g   A2 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪   1 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪16 ‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫;‪cos 3  t   0 ‬‬
‫‪A3‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos3   0 ‬‬
‫‪192‬‬
‫‪ A3‬‬
‫‪192‬‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪x1 , p‬‬
‫‪ t   A cos  t   0  ‬‬
‫‪4‬‬
‫מטוטלת פיסיקלית ‪ -‬יציבות‬
‫‪ ‬נוותר כעת על הנחת הזוויות הקטנות ונחזור ל‪V  m g  1  cos   -‬‬
‫‪dV‬‬
‫‪ ‬נקודות שיווי‪-‬משקל‪:‬‬
‫‪ 0  sin   0   k   k‬‬
‫‪d‬‬
‫‪ ‬הפוטנציאל בנק' ש"מ הראשונות‪V 0  0  0; V 1     2 m g  :‬‬
‫‪ ‬יציבות‪  m g   0 :‬‬
‫‪1‬‬
‫‪d 2V‬‬
‫;‪ m g   0‬‬
‫‪d2‬‬
‫‪0‬‬
‫‪d 2V‬‬
‫‪d 2V‬‬
‫; ‪ m g  cos ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪d2‬‬
‫‪ ‬ז"א שאם אנרגיית המטוטלת הינה ‪ 0  E  2 m g ‬אזי המטוטלת מוגבלת‬
‫בתנועתה לתחום ‪ ,  A  ‬דהיינו נע סביב נקודת ש"מ יציב‪ .‬אם למטוטלת‬
‫אנרגיה הגדולה מ‪ , 2 m g  -‬היא מגיעה לנקודת ש"מ שניה ומאבדת יציבות‪.‬‬
‫‪ ‬משמעות פיסיקלית‪ :‬כל עוד האמפליטודה קטנה מ‪ ,-‬מתרחשות תנודות‪.‬‬
‫ברגע שהאמפליטודה עולה על ‪ ,‬המטוטלת מתחילה להסתובב‪.‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪5‬‬
‫תנועה בפוטנציאל מרכזי‬
‫‪ ‬הבעיה‪ :‬לפתור את הבעיה עבור פוטנציאל מרכזי כללי‬
‫‪1  2‬‬
‫‪L   r  V r ‬‬
‫‪ ‬בשיעור הקודם‪ ,‬הגענו לביטוי‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ ‬או בקואורדינטות כדוריות‪L   r 2  r 2 2  r 2 2 sin2   V r  :‬‬
‫‪2‬‬
‫‪  ‬הוא משתנה ציקלי‪ ,‬לכן‬
‫‪p   r 2 sin2   l z  const‬‬
‫‪‬‬
‫‪ ‬אנו חופשיים לבחור את כיווני הצירים‪ ,‬לכן ניתן להגדיר‪l  l z ẑ  const :‬‬
‫‪‬‬
‫‪ ‬מכאן נובע‪ p   r 2  0    const :‬אנו ניקח‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ ‬מכאן ‪ 2‬חוקי קפלר‪( :‬א) התנועה מתבצעת במישור הניצב לציר ‪ Z‬ו‪(-‬ב) שטחים‬
‫שווים מכוסים בזמנים שווים‪ ,‬כי‬
‫‪1 2‬‬
‫‪l dt‬‬
‫)‪(1‬‬
‫‪dA  r  dt ‬‬
‫‪ const  dt‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪‬‬
‫‪6‬‬
‫בעיית כוח מרכזי כבעיה חד‪-‬מימדית‬
‫‪ ‬פתרנו ‪ 2‬מתוך ‪ 3‬דרגות החופש של הבעיה‪ .‬כעת נגזור מש' אוילר ל‪ r -‬ואחר כך‬
‫נציב התוצאות ל‪  -‬ו‪  -‬ונגזרותיהן‪ ,‬כי השיטה מיועדת למשתנים בלתי‪-‬תלוים‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪l2‬‬
‫‪Veff ‬‬
‫‪ V r ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2 r‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪l2‬‬
‫‪dV‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪r ‬‬
‫‪‬‬
‫‪3‬‬
‫‪r‬‬
‫‪dr‬‬
‫‪ . u   ‬מעבר בין הנגזרות נובע משימור התנע‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ ‬החלפת משתנים‪:‬‬
‫‪r t ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪l‬‬
‫‪u‬‬
‫‪d‬‬
‫‪dV‬‬
‫‪d u dV‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2 dV‬‬
‫‪ r d  l dt ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪u‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪ d‬‬
‫‪dr‬‬
‫‪dr du‬‬
‫‪du‬‬
‫אוסצילטור‬
‫‪dr‬‬
‫‪1 du‬‬
‫‪l du‬‬
‫‪d 2r‬‬
‫‪l 2 2 d 2u‬‬
‫‪ 2‬‬
‫‪‬‬
‫;‬
‫‪ 2 u‬‬
‫הרמוני‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪u dt‬‬
‫‪ d‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪‬‬
‫‪d‬‬
‫מאולץ‬
‫‪2‬‬
‫‪l 2 2 d 2u l 2 3‬‬
‫‪d‬‬
‫‪V‬‬
‫‪d‬‬
‫‪u‬‬
‫‪ dV‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ u‬‬
‫‪ u u‬‬
‫‪‬‬
‫‪u 2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ d‬‬
‫‪‬‬
‫‪du‬‬
‫‪d‬‬
‫‪l du‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪7‬‬
‫בעיית קפלר‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪k‬‬
‫בעיית קפלר היא מקרה פרטי של בעיית כוח מרכזי עם‬
‫‪V    k u‬‬
‫‪r‬‬
‫‪d 2u‬‬
‫‪k‬‬
‫ אוסצילטור עם כוח מאלץ קבוע‪.‬‬‫מהמשוואה (‪ )2‬נקבל‪ u  2 :‬‬
‫‪2‬‬
‫‪d‬‬
‫‪l‬‬
‫‪2‬‬
‫‪k‬‬
‫‪l‬‬
‫‪ p ‬ונקבל‪:‬‬
‫הפתרון‪ . u  2  A cos  :‬נסמן‪;   p A :‬‬
‫‪l‬‬
‫‪k‬‬
‫‪p‬‬
‫‪p u   1   cos   p  r   r cos   x 2  y 2   x‬‬
‫‪r‬‬
‫או בצורה נוחה יותר‪:‬‬
‫‪1   2 x 2  2  p x  y 2  p2  0‬‬
‫‪‬‬
‫מסלולי‬
‫ם‬
‫סגורים‬
‫‪‬‬
‫‪  0 : x 2  y 2  p 2  circle of radius p‬‬
‫;‪ x  xc 2  y 2  1‬‬
‫‪xc‬‬
‫‪p‬‬
‫‪p‬‬
‫‪xc  ‬‬
‫‪, a , b‬‬
‫‪ ellipse‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪b‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪1‬‬
‫מסלולים‬
‫‪  1 : parabola ;   1 : hyperbola ‬‬
‫לא‬
‫סגורים א' תשס"ד‬
‫סמסטר‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪a2‬‬
‫‪ 1:‬‬
‫אקסצנטריות‬
‫‪8‬‬
‫זמן מחזור במסלול אליפטי‬
‫‪ ‬במסלול סגור‪ ,‬ניתן לחשב את זמן המחזור‪ .‬במקום לחשב את האינטגרל‬
‫‪1 / 2‬‬
‫‪‬‬
‫‪k‬‬
‫‪l ‬‬
‫‪ dr‬‬
‫‪  2    E  ‬‬
‫‪2 ‬‬
‫‪r 2 r ‬‬
‫‪rmin ‬‬
‫‪dA A‬‬
‫‪l‬‬
‫‪2 A‬‬
‫‪ ‬נעדיף להשתמש בחוק השני של קפלר‪:‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪d t  2‬‬
‫‪l‬‬
‫‪l 2a‬‬
‫‪ A   a b ; b  p a ‬ונקבל את החוק השלישי‬
‫‪ ‬נציב את הנתונים‪:‬‬
‫‪k‬‬
‫של קפלר‪:‬‬
‫‪rmax‬‬
‫‪2‬‬
‫‪  2  a3‬‬
‫‪a3‬‬
‫‪‬‬
‫‪k‬‬
‫‪  2‬‬
‫כאשר ‪ a‬זהו חצי הציר הגדול של האליפסה‪.‬‬
‫‪ ‬במסלול מעגלי נקבל‪:‬‬
‫סמסטר א' תשס"ד‬
‫‪ 2  a3‬‬
‫תרגול ‪ – 6‬מערכות חד‪-‬מימדיות ותנועה‬
‫בכוח מרכזי‬
‫‪9‬‬