Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

Relevanta dokument
Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Lösningsskiss för tentamen Mekanik F del 2 (FFM521/520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Mekanik F, del 2 (FFM521)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

Repetion. Jonas Björnsson. 1. Lyft ut den/de intressanta kopp/kropparna från den verkliga världen

university-logo Mekanik Repetition CBGA02, FYGA03, FYGA07 Jens Fjelstad 1 / 11

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

LEDNINGAR TILL PROBLEM I KAPITEL 4

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

Mekanik I Newtonsk mekanik beskrivs rörelsen för en partikel under inverkan av en kraft av

= v! p + r! p = r! p, ty v och p är dt parallella. Definiera som en ny storhet: Rörelsemängdsmoment: H O

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

Härled utgående från hastighetssambandet för en stel kropp, d.v.s. v B = v A + ω AB

Mekanik Föreläsning 8

Kursinformation Mekanik f.k. TMMI39

Stelkroppsmekanik partiklar med fixa positioner relativt varandra

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

LEDNINGAR TILL PROBLEM I KAPITEL 14. Kroppen har en rotationshastighet. Kulan P beskriver en cirkelrörelse. För ren rotation gäller

Övningstenta Svar och anvisningar. Uppgift 1. a) Hastigheten v(t) får vi genom att integrera: v(t) = a(t)dt

LÖSNINGAR TENTAMEN MEKANIK II 1FA102

Föreläsning 10: Stela kroppens plana dynamik (kap 3.13, 4.1-8) Komihåg 9: e y e z. e z )

Andra EP-laborationen

I Bedford-Fowler, som var kursbok för Mekanik II ges en utförlig beskrivning vad vi menar med en stel kropp. Här tar vi ut två viktiga punkter.

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

9.1 Kinetik Rotation kring fix axel Ledningar

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Kapitel extra Tröghetsmoment

9.2 Kinetik Allmän plan rörelse Ledningar

Tentamen i SG1140 Mekanik II. Problemtentamen

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

Mekanik FK2002m. Repetition

LEDNINGAR TILL PROBLEM I KAPITEL 4

Tillämpad biomekanik, 5 poäng Övningsuppgifter

Tentamen i Mekanik - Partikeldynamik TMME08

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Övningar för finalister i Wallenbergs fysikpris

FÖRBEREDELSER INFÖR DELTENTAMEN OCH TENTAMEN

Lösningsförslat ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Mekanik F, del 2 (FFM521)

Newtons 3:e lag: De par av krafter som uppstår tillsammans är av samma typ, men verkar på olika föremål.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

SG1108 Tillämpad fysik, mekanik för ME1 (7,5 hp)

" e n Föreläsning 3: Typiska partikelrörelser och accelerationsriktningar

Tentamensskrivning i Mekanik, Del 2 Dynamik för M, Lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösning. (1b) θ 2 = L R. Utgå nu från. α= d2 θ. dt 2 (2)

Institutionen för Fysik och Astronomi! Mekanik HI: Rotationsrörelse

undanträngda luften vilket motsvarar Flyft kraft skall först användas för att lyfta samma volym helium samt ballongens tyngd.

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

Om den lagen (N2) är sann så är det också sant att: r " p = r " F (1)

Tentamen i Mekanik SG1102, m. k OPEN. Problemtentamen

Tentamensskrivning i Mekanik (FMEA30) Del 2 Dynamik

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE035

) 2 = 1, där a 1. x + b 2. y + c 2

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Stelkroppsdynamik i tre dimensioner Ulf Torkelsson. 1 Tröghetsmoment, rörelsemängdsmoment och kinetisk energi

Föreläsning 9: Beräkning av tröghetsmoment och tröghetsprodukter (kap ) Kinetisk energi för roterande stelt system: T rot

Möjliga lösningar till tentamen , TFYY97

Arbete och effekt vid rotation

KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN INSTITUTIONEN FÖR MEKANIK Richard Hsieh, Karl-Erik Thylwe

Repetition Mekanik, grundkurs

Analytisk mekanik för MMT, 5C1121 Tentamen, , kl

ID-Kod: Program: Svarsformulär för A-delen. [ ] Markera om du lämnat kommentarer på baksidan.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Basala kunskapsmål i Mekanik

c d Z = och W = b a d c för några reella tal a, b, c och d. Vi har att a + c (b + d) b + d a + c ac bd ( ad bc)

Omtentamen i Mekanik I SG1130, grundkurs för CMATD och CL. Problemtentamen

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Stela kroppens plana rörelse; kinetik

Tentamen i Mekanik SG1130, baskurs P1. Problemtentamen

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

Lösningar till problemtentamen

UPPSALA UNIVERSITET Inst. för fysik och astronomi Mattias Klintenberg, Allan Hallgren, Staffan Yngve, Arnaud Ferrari, Glenn Wouda och Lennart Selander

Mekanik II repkurs lektion 4. Tema energi m m

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tillåtna hjälpmedel: Physics Handbook, Beta, typgodkänd kalkylator, lexikon, samt en egenhändigt skriven A4-sida med valfritt innehåll.

" e n och Newtons 2:a lag

.4-6, 8, , 12.10, 13} Kinematik Kinetik Kraftmoment Vektorbeskrivning Planetrörelse

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

Uppgift 3.5. Vi har att: a = dv dt enligt definitionen. Med vårt uttryck blir detta: dt = kv2. Vi separerar variablerna: v 2 = kdt

Tentamen i Mekanik I SG1130, baskurs P1 och M1. Problemtentamen OBS: Inga hjälpmede förutom rit- och skrivdon får användas!

u av funktionen u = u(x, y, z) = xyz i punkten M o = (x o, y o, z o ) = (1, 1, 1) i riktningen mot punkten M 1 = (x 1, y 1, z 1 ) = (2, 3, 1)

Mer Friktion jämviktsvillkor

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 18 augusti 2016

Mekanik III, 1FA103. 1juni2015. Lisa Freyhult

Transkript:

Tentamen Mekanik F del (FFM51 och 50 Tid och plats: Lösningsskiss: Fredagen den 17 januari 014 klockan 08.30-1.30. Christian Forssén Obligatorisk del 1. Endast kortfattade lösningar redovisas. Se avsnitt 8/4, respektive 5/3 i kursboken. (a För att kunna ställa upp vridmomentsekvationen behövs avståndet till halvskivans masscentrum (som blir r = 4r/3π samt dess tröghetsmoment runt O (I O = mr /. Den eftersökta naturliga vinkelfrekvensen fås genom att teckna rörelseekvationen för små vinklar. Svaret blir: ω n = 8g/3πr, som har rätt dimension. (b Utnyttja det geometriska sambandet x = b cos θ, där θ är vinkeln mellan AC och BC. Derivera m.a.p. tid ẋ = b θ sin θ. Notera att den sökta vinkelhastigheten är ω = θ, medan hastigheten v = ẋ. Vi får ω = v/(b sin θ. Här är det lämpligt att rita en figur för att visa på positiv riktning. Utnyttja sedan att a är konstant och det resulterande sambandet ẋ = ax. I slututtrycket vill vi inte använda variabeln θ utan enbart x som givet i uppgiftsformuleringen. Vi utnyttjar därför att sin θ = 1 cos θ = 1 x /4b. Svaret blir med rätt dimension. ax ω = 4b x,. Vi väljer att teckna tröghetsmatrisen i ett kartesiskt koordinatsystem med origo i mitten av basen, och z-axeln längs symmetriaxeln (dvs 0 z h. Eftersom konen är homogen blir densiteten ρ = m πr h/3.

Vi kan skriva masselementet dm = ρ(x, y, zdxdydz och får tröghetsmatrisen ur följande volymsintegral(er y + z xy xz I = ρ(x, y, z xy x + z yz dxdydz V xz yz x + y h R(h z/h (R(h z/h y y + z xy xz = ρ xy x + z yz dxdydz z=0 y= R(h z/h x= (R(h z/h y xz yz x + y = mh 10 + 3mR 0 0 0 mh 0 + 3mR 0 10 0 0 0 3mR 10 Vi kan notera att tröghetsmatrisen är diagonal och att dessa koordinataxlar alltså är huvudtröghetsaxlar. Deviationsmomentet kan visas vara lika med noll genom symmetriargument. Notera symmetrin i både x och y koordinaterna. Det är också uppenbart att tröghetsmomenten måste vara lika runt x- och y-axlarna. Detta lämnar enbart två matriselement att räkna ut explicit: I xx = I yy och I zz. Se integral och svar ovan. 3. Lösningsstrategi: (a Börja med kinematiken och teckna ett uttryck för stångens masscentrums acceleration uttryckt i vinkeln θ, vinkelhastigheten ω = θ samt vinkelacceleration θ. (b Teckna sedan vridmomentekvationen. Väljer man att göra detta m.a.p. masscentrum måste man även teckna kraftekvationer för att få de okända normalkrafterna i A och B. Enklare blir det om man väljer någon av punkterna som genomkorsas av dessa krafters verkningslinjer. (c Vinkelaccelerationen blir θ = 3F 3g cos θ sin θ. ml l (d Vinkelhastigheten fås genom att integrera detta uttryck. Använd sambandet θ = ωdω/dθ, samt ett begynnelsevillkor. Detta ger θ = 6F 3g sin θ + (cos θ 1. ml l 4. Lösningsstrategi: (a Teckna rörelseekvationer för det två cylindrarna. Vi kommer att ha två rörelsevariabler (två rotationsvinklar samt en okänd friktionskraft. Följdaktligen behövs tre ekvationer. Fundamental fysik, Chalmers Page Examinator: C. Forssén

(b Den mindre cylinderns position relativt vertikalaxeln kan beskrivas med en tredje vinkel θ. Då vi har rullning utan glidning borde denna vinkel bero på cylindrarnas rotationsvinklar. (c Utnyttja sin θ θ för små vinklar för att lösa röresleekvationen för θ. Tröghetsmomenten för de två cylindrarna är I i = M i Ri, i = 1,.Vi inför den okända friktionskraften F som verkar i kontaktpunkten mellan de två cylindrarna. Vinklarna θ 1 och θ beskriver de två cylindrarnas rotation (moturs positivt med θ 1 = θ = 0 då den mindre cylindern befinner sig längst ner i den större cylindern. Vridmomentsekvationerna blir F R 1 = M 1 R 1 θ 1, (1 F R = M R θ. ( Vi introducerar också vinkeln θ som beskriver den mindre cylinderns position relativt vertikalaxeln (en figur vore bra. Vi kan då teckna kraftekvationen för den mindre cylindern Utan glidning, och med R 1 R, fås villkoret F M 1 g sin θ = M 1 R θ (3 R θ R θ R 1 θ 1. (4 Med våra tre rörelseekvationer och ett geometrisk samband kan vi teckna en rörelseekvation för θ med enbart kända storheter. Vi utnyttjar också att sin θ θ ( M 1 + 1 1 M 1 + 1 M Den sökta frekvensen blir därför g ω = R θ + M 1g R θ = 0. M1 + M M 1 + M. Notera t.ex. specialfallet då M M 1 : Friktionskraften blir försumbar och vi har bara en normalkraft. Den mindre cylindern beter sig som en pendel med längden R och frekvensen blir mycket riktigt g/r. Fundamental fysik, Chalmers Page 3 Examinator: C. Forssén

Extrauppgift 5. Lösningsstrategi: (a Vi inser att rörelsemängdsmomentet L O runt punkten O kommer att konserveras genom stöten. Sedan kommer denna att minska pga vridmomentet från tyngdkraften. Då kan vi använda arbeteenergi-principen för att finna den eftersökta minsta farten. (b Före stöten ges L O av masscentrums hastighet v 1 samt momentarmen b/: L O = mv 1 b/. (c Efter stöten har blocket rotationshastigheten v/ r, där v är masscentrums hastighet direkt efter stöten (tangentiellt mot rotationen och r = (b /4 + c /4. Notera att vi kan försumma studsen. Detta ger L O = m 3 (b + c ω, där vi använt Steiners sats för att räkna ut tröghetsmomentet I O. 3v 1b (d Rotationshastigheten ω = räcker för att lyfta blocket om (b +c rotationsenergin precis matchar ökningen i potentiell energi. Ställer vi upp uttrycken för dessa två energier får vi slutligen villkoret ( g ( v 1 = 1 + c b + c 3 b b Överbetygsuppgifter 6. Enbart svar: (a L O = mr ω [ sin α cos αˆx + (sin α + cos αẑ ] 4 ( (b β = arccos LO ẑ/l O vilket ger β = arccos(3/ 10 18 för α = 45. Fundamental fysik, Chalmers Page 4 Examinator: C. Forssén

7. Med en kraft som alltid är riktad längs med separationsvektorn mellan de två partiklarna kommer dessa att röra sig ett plan. Med polära koordinater i detta plan gäller följande för masscentrumssystemet m 1 r 1 + m r = 0, dvs m 1 r 1 = m r eller m 1 r 1 = m r för storlekarna. Den kinetiska energin blir T = m 1 r 1 + m r =... = m µ r = m (ṙ + r µ θ, där µ = m 1 m /(m 1 + m är den reducerade massan. Den potentiella energin beror på avståndet r = r 1 + r = m r /µ. Med θ och r som generella koordinater får vi Lagrangianen L = T V = m µ (ṙ + r θ V (m r /µ. (5 Konserverade storheter ges av rörelsekonstanter. Då Lagrangianen saknar θ-beroende ger den ena av Lagranges ekvationer direkt att L θ = m r θ µ = konstant J. Nu gäller det bara att identifiera J. Systemets totala rörelsemängdsmoment runt masscentrum är m r θ + m 1 r 1 θ = m r θ/µ = J. Alltså är rörelsemängdsmomentet konserverat. För att finna en annan rörelsekonstant tecknar vi dl dt = ( L d q j q j j dt + L q j = [ L d q j q j q j j dt + d ( ] L q j = d L q j, dt q j dt q j j där vi har utnyttjat Lagranges ekvationer samt att L ej beror på t explicit. Rörelsekonstanten blir därmed j L q j q j L = konstant I vårt fall finner vi att summan i vänsterledet blir m ṙ µ + m r θ µ = T, dvs med L = T V ser vi att vår rörelsekonstant är T + V = E = konstant. Fundamental fysik, Chalmers Page 5 Examinator: C. Forssén