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

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

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

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

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

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

LEDNINGAR TILL PROBLEM I KAPITEL 4

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i Mekanik - Partikeldynamik TMME08

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

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

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

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

Stelkroppsmekanik partiklar med fixa positioner relativt varandra

Tentamen i Mekanik för D, TFYY68

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i SG1140 Mekanik II. Problemtentamen

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

Andra EP-laborationen

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

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

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

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

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

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Mekanik III Tentamen den 19 december 2008 Skrivtid 5 tim De som klarat dugga räknar ej uppgift m/2

" e n och Newtons 2:a lag

9.1 Kinetik Rotation kring fix axel Ledningar

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

Lösningsförslat ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Mekanik Föreläsning 8

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

Kapitel extra Tröghetsmoment

Tentamen i Mekanik II

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

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

Tillämpad biomekanik, 5 poäng Övningsuppgifter

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Kursinformation Mekanik f.k. TMMI39

7,5 högskolepoäng. Provmoment: tentamen. Tentamen ges för: Högskoleingenjörer årskurs 1. Tentamensdatum: Tid:

TFYA16/TEN :00 13:00

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Tentamen i Mekanik SG1102, m. k OPEN. Problemtentamen

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

=v sp. - accelerationssamband, Coriolis teorem. Kraftekvationen För en partikel i A som har accelerationen a abs

Tentamensskrivning i Mekanik - Dynamik, för M.

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

Mekanik III, 1FA103. 1juni2015. Lisa Freyhult

TFYA16/TEN2. Tentamen Mekanik. 12 januari :00 13:00. Tentamen besta r av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poa ng.

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

Mekanik F, del 2 (FFM521)

LÖSNINGAR TENTAMEN MEKANIK II 1FA102

KOMIHÅG 10: Effekt och arbete Effekt- och arbetslag Föreläsning 11: Arbete och lagrad (potentiell) energi

9.2 Kinetik Allmän plan rörelse Ledningar

Arbete och effekt vid rotation

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

Inlupp 3 utgörs av i Bedford-Fowler med obetydligt ändrade data. B

Tentamen i Mekanik - partikeldynamik

Tentamensskrivning i Mekanik (FMEA30) Del 2 Dynamik

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

Obs: Använd vektorstreck för att beteckna vektorstorheter. Motivera införda ekvationer!

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

6.2 Partikelns kinetik - Tillämpningar Ledningar

Harmonisk oscillator Ulf Torkelsson

Tentamen i Mekanik 5C1107, baskurs S2. Problemtentamen

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.

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

NEWTONS 3 LAGAR för partiklar

Tentamensskrivning i Mekanik (FMEA30) Del 1 Statik och partikeldynamik

Definitioner: hastighet : v = dr dt = r fart : v = v

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

LEDNINGAR TILL PROBLEM I KAPITEL 4

" e n Föreläsning 3: Typiska partikelrörelser och accelerationsriktningar

Problemtentamen. = (3,4,5)P, r 1. = (0,2,1)a F 2. = (0,0,0)a F 3. = (2,"3,4)P, r 2

Hanno Essén Lagranges metod för en partikel

Mekanik KF, Moment 2. o Ingenting händer: T! = T! o Den blir kortare: T! =!! o Den blir längre: T! = 2T!

Lösningar Heureka 2 Kapitel 7 Harmonisk svängningsrörelse

dr dt v = Viktiga relationer: Stela kroppens allm. rörelse (Kap. 6)

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

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

Möjliga lösningar till tentamen , TFYY97

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Kursens olika delar. Föreläsning 0 (Självstudium): INTRODUKTION

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

Enda tillåtna hjälpmedel är papper, penna, linjal och suddgummi. Skrivtid 4 h. OBS: uppgifterna skall inlämnas på separata papper.

STOCKE OLMS UNIVERSITET FYS IKUM

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

6.3 Partikelns kinetik - Härledda lagar Ledningar

Inre krafters resultanter

Tentamen i Mekanik SG1107, baskurs S2. Problemtentamen

Institutionen för Fysik och Astronomi! Mekanik HI: Rotationsrörelse

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Tentamen i Mekanik för D, TFYA93/TFYY68

Övningar för finalister i Wallenbergs fysikpris

ALTERNATIVA KOORDINATSYSTEM -Cylindriska koordinatsystem. De polära koordinaterna r och " kan beskriva rörelsen i ett xyplan,

Målsättningar Proffesionell kunskap. Kunna hänvisa till lagar och definitioner. Tydlighet och enhetliga beteckningar.

Transkript:

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP00, Fysikprogrammet termin 2 Tid: Plats: Ansvarig: Hjälpmedel: Lödag 29 maj 200, kl 8 30 3 30 V-huset Lennart Sjögren, tel. 03/772 393 (arbete), 03/336594 (bostad), 073 06 38 04 (mobil) Matematiska tabeller, Beta, Physics Handbook, formelsamlingar, valfri kalkylator med tömt minne, samt ett egenhändigt skrivet A4- blad (två sidor, ej xeroxkopia eller maskinskrift). Lösningar läggs ut på kurshemsidan /6. Värdet på varje helt rätt löst uppgift finns angivet inom parentes efter varje uppgift. För betygsgraden godkänd erfordras sammanlagt minst 8.5 poäng och för betygsgraden väl godkänd minst 3.5 poäng. UPPSTÄLLDA SAMBAND SKALL MOTIVERAS (gärna med en enkel skiss).. En partikel med massa m glider utan friktion längs x-axeln på en glatt stång. Stången ligger på samma avstånd från två sfärer med massa M. Sfärerna ligger vid x = 0, y = ±a enligt figuren, och attraherar partikeln via gravitation. a) Ge den potentiella energin för partikeln. b) Partikeln släpps vid x = 3a och med hastighet v 0 mot origo. Vad blir partikelns hastighet när den passerar origo. c) Vad blir frekvensen för små oscillationer när partikeln befinner sig nära origo. Lösning: a) Avståndet mellan partikeln och de båda massorna M är r = r 2 = x 2 + a 2. Detta ger potentialen V (x) = GmM r GmM r 2 = 2 GmM x 2 + a 2 b) Energikonserverinjg ger T + V = E dvs 2 mv2 0 2 GmM 9a 2 + a = 2 2 mv2 2 GmM a 2 Detta ger hastigheten vid x = 0 v 2 = v 2 0 + 4 GM a ( ) 0

c) I närheten av origo x = 0 kan vi utveckla potentialen i en Taylorserie V (x) = V (0) + V (0)x + 2 V (0)x 2 + Nu är V GmM (x) = 2 (x 2 + a 2 ) 3/2 x, V (0) = 0 V GmM (x) = 2 (x 2 + a 2 ) 3/2 6 GmM (x 2 + a 2 ) 5/2 x2, V (0) = 2 GmM a 3 Potentialen kring x = 0 blir alltså V (x) = 2 GmM a ( ( x ) ) 2 a Kraften som verkar på partikeln blir alltså Rörelseekvationen för partikeln blir och frekvensen för små svängningar blir F (x) = V (x) = 4 GmM a 3 x mẍ + 4GmM a 3 x = 0 ω 2 0 = 4GM a 3 2. En stav med längd l 0 i sitt vilosystem rör sig med hastighet u längs x-axeln i ett laboratoriesystem S. Vad blir stavens längd för en observatör i ett inertialsystem S vilket rör sig längs x-axeln med hastighet v i förhållande till S. Ledning: Inför stavens vilosystem S som ett mellanled. Lösning: I stavens vilosystem S har stavens ändpunkter koordinater x A coh x B och l 0 = x B x A. Lorentz-transformationen mellan S och S ges av x = γ (x ut) y = y t = γ ( t u c 2 x ) där γ = /( (u/c) 2 ). Motsvarande transformation mellan S och S är x = γ(x vt) y = y t = γ (t v ) c 2 x 2

där γ = /( (v/c) 2 ), med den inversa transformationen x = γ(x + vt ) y = y t = γ (t + v c 2 x ) För att transformera längden mellan S och S har vi alltså ( x = γ (γ(x + vt ) uγ t + v [( c 2 x ) ) = γγ uv ) c 2 x + (v u)t ] En mätning av stavens längd i S sker vid samma tidpunkt t och detta ger ( l 0 = γγ uv ) (x c 2 B x ) ( B = γγ uv ) c 2 l Detta ger l = [ l 0 (c 2 γγ ( v 2 )(c 2 u 2 ) ] /2 uv ) = l 0 c c 2 uv 2 3. En partikel med massa m vilar på ett glatt plan (ingen friktion). Planet lyfts i ena änden med konstant vinkelhastighet θ = α. Partikeln börjar då att röra sig utför det lutande planet. Använd polära koordinater för partikeln, och ställ upp Lagrangefunktionen. Härled rörelseekvationen och beräkna partikelns rörelse. Lösning: Vi lägger ett koordinatsystem med origo i den ända av planet som ligger stilla. Vi anger partikelns läge på planet med polära koordinater r(t) och θ(t), där r är avståndet längs planet och θ lutningsvinkeln. Enligt uppgift är nu θ = α dvs θ(t) = αt. Kinetiska energin blir T = [ ] 2 m ṙ 2 + r 2 θ2 = 2 m [ ṙ 2 + α 2 r 2] Potentiella enrgin är Lagrange-funktione blir alltså V = mgh = mgr sin θ = mgr sin(αt) L = T V = 2 m [ ṙ 2 + α 2 r 2] mgr sin(αt) Detta ger L ṙ = mṙ, vilket ger rörelseekvationen L r = mα2 r mg sin(αt) m r mα 2 r + mg sin(αt) = 0 eller r α 2 r = g sin(αt) Den homogena ekvationen har lösningen r h (t) = A cosh(αt) + B sinh(αt) 3

För att få en partikulärlösning ansätter vi r p (t) = C sin(αt), r p (t) = α 2 C sin(αt) dvs Detta ger lösningen Cα 2 Cα 2 = g, C = g 2α 2 r(t) = A cosh(αt) + B sinh(αt) + g 2α 2 sin(αt) Begynnelsevillkoren är r(0) = r 0, ṙ(0) = 0 där vi antar att vid t = 0 ligger partikeln på avståndet r 0 från änden i origo. Detta ger A = r 0 och vilket slutligen ger lösningen Bα + g 2α = 0, B = g 2α 2 r(t) = r 0 cosh(αt) + g [sin(αt) sinh(αt)] 2α2 4. En pendel hänger från en axel vilken sitter mellan två stöd så att den endast kan svänga i ett plan vinkelrätt mot axeln. Pendeln består av en massa M vilken sitter på en masslös stång med längden l. De två stöden sitter fast på en skiva vilken roterar med konstant vinkelhastighet Ω. Beräkna pendelns frekvens under antagandet att svängningsamplituden är liten. Lösning: Vi lägger ett relativt koordinatsystem med en ξ-axel längs med den horisontella axeln, end η-axel vinkelrät mot samma axel och en ζ-axel längs med rotationsaxeln. ξ och η-axlarna roterar alltså med frekvensen Ω kring ζ-axeln, och pendeln svänger i η, ζ-planet. För att beskriva pendelns läge kan vi använda polära koordinater r och θ i η, ζ-planet. Vi får då rotationsvektorn och relativa läget ω = Ωe ζ = Ω cos θe r + Ω sin θe θ, ρ = le r = l sin θe η l cos θe ζ Relativa hastigheten och accelerationen ges av v rel = l θe θ a rel = l θ 2 e r + l θe θ 4

Accelerationen i ett fixt koordinatsystem med samma origo som det rörliga ges av a = a rel + a cor + a med a cor = 2 ω v rel a med = d ω R + ρ + ω ( ω ρ) dt Här är R = 0 och d ω/dt = 0 ty Ω och e ζ är konstanta. Vidare är ω v rel = [ Ω cos θe r + Ω sin θe θ ] l θe θ = lω θ cos θe ξ ω ρ = [ Ω cos θe r + Ω sin θe θ ] le r = lω sin θe ξ ω ( ω ρ) = [ Ω cos θe r + Ω sin θe θ ] ( lω sin θe ξ ) = lω 2 sin θ cos θe θ lω 2 sin 2 θe r Detta ger a cor = 2lΩ θ cos θe ξ a med = lω 2 sin 2 θe r lω 2 sin θ cos θe θ och [ ] ] a = l θ2 + Ω 2 sin 2 θ e r + l [ θ Ω 2 sin θ cos θ e θ 2lΩ θ cos θe ξ Rörelseekvationerna blir [ ] ml θ2 + Ω 2 sin 2 θ ] ml [ θ Ω 2 sin θ cos θ = F r = mg cos θ S = F θ = mg sin θ 2mlΩ θ cos θ = F ξ Ekvationen i r-led ger spänningen S i stången, som håller massan, när vinkeln θ är känd, och ekvationen i ξ-led ger på samma sätt den tvångskraft vilken är nödändig för att pendeln skall svänga i ett plan. Rörelseekvationen för utslagsvinkeln θ fås från den andra ekvationen θ Ω 2 sin θ cos θ = g l sin θ Vi är endast intresserade av små svängningar då sin θ θ, cos θ, vilket ger ekvationen θ + (ω 2 0 Ω 2 )θ = 0 där ω 2 0 = g/l. Frekvensen för små svängningar blir alltså ω2 = ω 2 0 Ω2. 5

5. I en gammaldags kvarn maldes sädeskornen med en kvarnsten i form av en skiva vilken rullar i en cirkel på ett plant golv. Stenen drivs via en vertikal axel enligt figuren. På grund av stenens rörelsemängdsmoment, kan kontaktkraften mot golvet bli avsevärt större än stenens vikt. Antag att kvarnstenen är en homogen skiva med massa M, radie b och bredd w, och att den rullar utan att glida i en cirkel med radie R med konstant vinkelhastighet Ω. Beräkna kontaktkraften mellan stenen och golvet. Antag att w R, och att friktionskrafter kan försummas. Antag också att den horisontella axeln är momentfritt lagrad i den vertikala axeln, dvs de enda kraftmomenten kommer från tyngdkraften och kontaktkraften från golvet. Lösning: Vi lägger in ett koordinatsystem med en x-axel längs den horisontella axeln och en z-axel längs den vertikala axeln, och med origo O i skärningspunkten där axlarna är lagrade. x- och y-axlarna roterar alltså med i hjulets rörelse. Vinkelfrekvensen har komponenter ω = ω x e x + Ωe z Rullningsvillkoret är RΩ = bω x, ω x = RΩ b Rörelsemängdsmomentet m a p origo O blir L O = I O ω För att få tröghetstensorn m a p punkten O kan vi först beräkna tröghetstensorn m a p ett principal-system med origo i skivans centrum. I detta system blir I diagonal I xx 0 0 I = 0 I yy 0 0 0 I zz Tröghetsmomentet m a p en axel vinkelrät mot hjulets plan och genom hjulets centrom är I xx = Mb 2 /2. För y och z-axlarna i principalsystemet har vi dessutom I yy = I zz och I yy + I zz = I xx dvs I yy = I zz = Mb 2 /4. Enligt Steiners sats är tröghetsmomentet m a p z-axeln genom origo I O zz = I zz + MR 2 = 4 Mb2 + MR 2 Från detta kan vi nu beräkna L O som 2 Mb2 0 0 L O = 0 4 Mb2 0 0 0 4 Mb2 + MR 2 RΩ b 0 Ω = ( ) 2 MbRΩe x+ 4 Mb2 + MR 2 Ωe z 6

Rörelseekvationen blir nu dl 0 = N 0 = Re x [(N Mg)e z F e y ] + M = R(Mg N)e y RF e z + M dt där det vridande momentet kommer från normalkraft och tyngdkraft på hjulet. Vi har även tagit med en friktionskraft F och ett vridande moment M verkande på den vertikala axeln. Dessa är dock enligt uppgiften noll. Vi kan nu beräkna dervatan för L O dl O = dt 2 MbRΩ d dt e x = 2 MbRΩΩe z e x = 2 MbRΩ2 e y ty det enda som beror på tiden i L O är den roterande vektorn e x och tidsderivtan av denna ges av (Ωe z ) e x. Rörelseekvationen i komponentform blir alltså 0 = M x 2 MbRΩ2 = R(Mg N) + M y 0 = RF + M z Vi ser att i allmänhet behöver man lägga på ett vridande moment på den vertikala axeln för att uppväga friktionskrafter. Sätter vi F = 0 får vi M z = 0. Enligt uppgift är också M y = 0, och med detta kan vi lösa ut normalkraften på hjulet N = M (g + 2 ) bω2 vilken alltså blir större än tyngdkraften. 6. Härled rörelseekvationen för en raket ur principen om rörelsemängdens bevarande. Lösning: Betrakta en raket som till att börja med har massan M + m där m är massan för bränslet vilket förbränns under tiden t. Vid tiden t rör sig raketen med hastigheten v(t), och vi har då rörelsemängden P (t) = (M + m)v. Vid en senare tidpunkt t + t rör sig raketen med massan M med hastigheten v + v. Bränslet med massa m strömmar ut från raketen med relativa hastigneten u. Detta ger Förändringen i rörelsemängd är då P (t + t) = M(v + v) + m(v + v + u) P = P (t+ t) P (t) = M(v+ v)+ m(v+ v+u) (M + m)v = M v+ m(u+ v) Nu gäller också att den massa som strömmar ut från raketn minskar raketens egen massa dvs m = M. Detta ger Vi dividerar med t som ger oss då t 0 att P = Mv M(u + v) P t = M v t M t (u + v) F ext = dp dt = M dv dt udm dt 7