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

Relevanta dokument
Stela kroppars rörelse i ett plan Ulf Torkelsson

LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I FYP302 MEKANIK B

Jämviktsvillkor för en kropp

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Stelkroppsmekanik partiklar med fixa positioner relativt varandra

2 Jämvikt. snitt. R f. R n. Yttre krafter. Inre krafter. F =mg. F =mg

Exempel: En boll med massa m studsar mot ett golv. Alldeles innan studsen vet man att hastigheten är riktad

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

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

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.

Radien r och vinkeln θ för komplexa tal i polär form och potensform: KOMPLEXA TAL. ) (polär form) (potensform)

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

Kursinformation Mekanik f.k. TMMI39

Kapitel extra Tröghetsmoment

saknar reella lösningar. Om vi försöker formellt lösa ekvationen x 1 skriver vi x 1

Partikeldynamik. Fjädervåg. Balansvåg. Dynamik är läran om rörelsers orsak.

Partikeldynamik. Dynamik är läran om rörelsers orsak.

PARTIKELDYNAMIK Def.: partikel utsträckning saknar betydelse Def. : Dynamik orsakar växelverkan kraft, F nettokraften

För de två linjerna, 1 och 2, i figuren bredvid gäller att deras vinkelpositioner, θ 1 och θ 2, kopplas ihop av ekvationen

Faradays lag. ger. Låt oss nu bestämma den magnetiska energin för N st kopplade kretsar. Arbetet som kretsarnas batterier utför är

Komplettering: 9 poäng på tentamen ger rätt till komplettering (betyg Fx).

Använd Maple (eller Mathematica) för att lösa dina uppgifter. INLÄMNINGSUPPGIFT 2 Linjär algebra och analys Del2: ANALYS Kurskod: HF1006

Lösningsförslat ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

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

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 )

Arbete och effekt vid rotation

TATA44 Lösningar 26/10/2012.

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

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

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Matematiska uppgifter

Tillämpningar av dekomposition: Flervaruflödesproblemet. Flervaruflödesproblemet: Lagrangeheuristik

Vektoranalys I. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

Tentamen i SG1140 Mekanik II för M, I. Problemtentamen

Föreläsning i Elektromagnetisk fältteori: Vektoranalys

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

6.2 Transitionselement

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

1. Vi skriver upp ekvationssystemet i matrisform och gausseliminerar tills vi når trappstegsform,

Blixtkurs i komplex integration

0. Introduktion, matematisk bakgrund

Tentamen i SG1140 Mekanik II. Problemtentamen

1. Bestäm definitionsmängden och värdemängden till funktionen f(x,y) = 1 2x 2 3y 2. Skissera definitionsmängden, nivålinjerna och grafen till f.

Experimentella metoder 2014, Räkneövning 5

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

LJUSETS REFLEKTION OCH BRYTNING. Att undersöka ljusets reflektion i plana speglar och brytning i glaskroppar.

Centrala Gränsvärdessatsen:

Vektoranalys III. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Mekanik Föreläsning 8

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

på två sätt och därför resultat måste vara lika: ) eller ekvivalent

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

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

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

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

Hjälpmedel: Penna, papper, sudd, linjal, miniräknare, formelsamling. Ej tillåtet med internetuppkoppling: 1. Skriv ditt för- och efternamn : (1/0/0)

Andra EP-laborationen

2B1115 Ingenjörsmetodik för IT och ME, HT 2004 Omtentamen Måndagen den 23:e aug, 2005, kl. 9:00-14:00

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

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

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

(x 3 + y)dxdy. D. x y = x + y. + y2. x 2 z z

Spänningsfallet över en kondensator med kapacitansen C är lika med q ( t)

9.1 Kinetik Rotation kring fix axel Ledningar

Mätfelsbehandling. Lars Engström

Grön Flagg-rapport Förskolan Arken 14 nov 2014

Kvalificeringstävling den 30 september 2008

Matematiska uppgifter

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

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

i = 1. (1.2) (1.3) eller som z = x + yi

Tentamen i mekanik TFYA16

Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR. ) De Moivres formel ==================================================== 2 = 1

Förstärkare Ingångsresistans Utgångsresistans Spänningsförstärkare, v v Transadmittansförstärkare, i v Transimpedansförstärkare, v i

FÖRDJUPNINGS-PM. Nr Kommunalt finansierad sysselsättning och arbetade timmar i privat sektor. Av Jenny von Greiff

Repetition, Matematik 2 för lärare. Ï x + 2y - 3z = 1 Ô Ì 3x - y + 2z = a Ô Á. . Beräkna ABT. Beräkna (AB) T

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

TENTAMEN Datum: 11 feb 08

Tentamensskrivning i Mekanik (FMEA30) Del 2 Dynamik

Finansiell Statistik (GN, 7,5 hp,, HT 2008) Föreläsning 6. Regression & Korrelation. (LLL Kap 13-14) Inledning till Regressionsanalys

Biomekanik, 5 poäng Masscentrum

Tentamen 1 i Matematik 1, HF1903 Torsdag 22 augusti Skrivtid: 14:00-18:00 Examinator: Armin Halilovic

Övningstenta: Lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

1. Beräkna hastigheten, farten och accelerationen vid tiden t för en partikel vars rörelse beskrivs av r(t) = (2 sin t + cos t, 2 cos t sin t, 2t).

Grön Flagg-rapport Borrby förskola 18 maj 2015

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2007

Tentamen SF1626, Analys i flera variabler, Svar och lösningsförslag. 2. en punkt på randkurvan förutom hörnen, eller

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

Mekanik F, del 2 (FFM521)

Karlstads Universitet Maskinteknik /HJo

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

Sammanfattning, Dag 1

Transkript:

Föreläsnng 4/10 Stelkroppsdynamk tre dmensoner Ulf Torkelsson 1 Tröghetsmoment, rörelsemängdsmoment och knetsk energ Låt oss beräkna tröghetsmomentet för en goycklg axel som går genom en fx punkt O en kropp. Detta är I = m r,, 1) där r, är det vnkelräta avståndet från axeln tll masspunkten. V antar att axelns rktnng defneras av enhetsvektorn ˆn, då gäller där θ är vnkeln mellan r och ˆn. V kan skrva ortsvektorn och ˆn kan v uttrycka med hjälp av dess rktnngscosner Detta ger oss r, = r sn θ = r n, ) r = x ˆx + y ŷ + z ẑ, 3) ˆn = cos αˆx + cos βŷ + cos γẑ. 4) r, = r n = y cos γ z cos β) + z cos α x cos γ) + x cos β y cos α) = y + z cos α + x + z cos β + x + y cos γ y z cos β cos γ z x cos γ cos α x y cos α cos β. 5) Alltså blr tröghetsmomentet I = cos α m y + z + cos β m x + z + cos γ m x + y cos β cos γ m y z cos γ cos α m z x cos α cos β m x y. 6) V kan tolka de tre första summorna som tröghetsmomentet krng x-, y- och z-axeln, och beteckna dem som I xx, I yy och I zz. För de tre följande summorna talar v om tröghetsprodukterna I xy = I yx = I yz = I zy = I zx = I xz = m x y 7) m y z 8) m z x 9) 10) För en kontnuerlg massfördelnng övergår summorna tll ntegraler av formen I zz = x + y ) dm. 11) 1

V kan nu skrva tröghetsmomentet krng axeln som I = I xx cos α + I yy cos β + I zz cos γ + I yz cos β cos γ + I zx cos γ cos α + I xy cos α cos β. 1) Detta samband kan uttryckas enklare med tröghetsmomentstensorn I = I xx I xy I xz I yx I yy I yz. 13) I zx I zy I zz V skrver ˆn som kolumnmatrsen ˆn = cos α cos β cos γ, 14) och v kan sedan skrva tröghetsmomentet krng axeln ˆn som matrsprodukten I = ˆnIˆn, 15) där ˆn är transponatet av ˆn. Rörelsemängdsmomentet är L = r m v, 16) där så att L = v = ω r, 17) m r ω r ). 18) Enlgt räknereglerna för vektorprodukten har v r ω r ) = r ω r r ω), 19) så att L = m r ω m r r ω), 0) vlket v kan skrva om på tensorform som ) ) [ ) )] L = m r ω m r r ω = m r 1 m r r ω, 1) där kan ses som defntonen av enhetstensorn 1 ω = ω, ) 1 = + jj + kk. 3) Produkten ab kallas för dyadprodukten och genererar en andra ordnngens tensor från två vektorer. Antag att vektorerna a och b ges av a = a x a y, 4) a z och b = b x b y b z. 5)

Då ges dyadprodukten av Det går att vsa att ab = a xb x a x b y a x b z a y b x a y b y a y b z a z b x a z b y a z b z ) ) I = m r 1 m r r ger tröghetsmomentstensorn. Alltså kan v skrva Rotatonsenergn är. 6) 7) L = I ω. 8) T rot = 1 m v v = 1 ω r ) m v = 1 ω r m v ) = 1 ω r m v ) = 1 ω L. 9) Den totala knetska energn är summan av rotatonsenergn och den knetska energn för masscentrum T = T rot + T trans = 1 ω L + 1 v cm p, 30) där L är rörelsemängdsmomentet krng masscentrum. Huvuröghetsaxlar Det går alltd att dagonalsera tröghetsmomentstensorn, det vll säga man kan alltd htta tre vnkelräta axlar 1, och 3, så att I 1 = I 3 = I 31 = 0, så att v får tröghetsmomentstensorn I 1 0 0 I = 0 I 0 31) 0 0 I 3 och ω = ω 1, ω, ω 3 ). I detta fall får v de enklare sambanden I = I 1 cos α + I cos β + I 3 cos γ, 3) och L = I 1 ω 1 ê 1 + I ω ê + I 3 ω 3 ê 3 33) T rot = 1 I1 ω1 + I ω + I 3 ω3. 34) Exempel: Bestäm huvuröghetsaxlarna och tröghetsmomentstensorn för ett rätblock med sdorna a, b och c. Lösnng: Axlarna måste vara rätblockets symmetraxlar. Krng dessa axlar kan v beräkna tröghetsmomenten på det vanlga vset, så v har I 1 = m b + c ) 1 35) I = m a + c ) 1 36) I 3 = m b + a ) 1 37) 38) Exempel: Bestäm huvuröghetsaxlar och tröghetsmomentet för ett pngsracket. Lösnng: V beskrver pngsracket som en tunn crkelskva med raden a och massan m/ samt en tunn stav med längden a och massan m/. Pngsracket har en symmetraxel 1 som 3

är parallell med hanaget. Axlarna och 3 går genom den punkt där skva och hanag möts. Axeln 3 är vnkelrät mot skvan, och axeln måste då lgga skvans plan. I varje rktnng så är tröghetsmomentet I = I stav + I skva. Då har v I = 1 m 3 I 3 = 1 3 a) + m m a) + 1 a I 1 = 0 + 1 m 4 a = ma 8 a 39) 4 + m a = 31 1 ma 40) m + m a = 17 1 ma 41) Antag att en kropp roterar krng en av sna huvuröghetsaxlar, säg 1, då har v L = I 1 ω 1 ê 1. I detta fall är alltså rörelsemängdsmomentet parallellt med rotatonsaxeln, vlket nte gäller allmänhet. Om rörelsemängdsmomentet nte sammanfaller med rotatonsaxeln så kommer L att varera med tden, vlket kräver att den roterande kroppen utsätts för ett yttre vrdmoment. 3 Eulers rörelseekvatoner för stela kroppar I ett nertalsystem gäller rörelseekvatonen 4) N = dl, 43) men L är enklast att uttrycka ett koordnatsystem orenterat längs med kroppens huvuröghetsaxlar, vlket nte är ett nertalsystem, eftersom det roterar med kroppen. Sambandet mellan tdsdervatan ett fxt och ett roterande koordnatsystem är dl ) fxed = dl ) rot + ω L. 44) Därför kan v skrva rörelseekvatonerna ett roterande koordnatsystem som ) dl N = + ω L. 45) På matrsform kan v skrva ekvatonerna som N 1 N = I 1 ω 1 I ω + ω ω 3 I 3 I ω 3 ω 1 I 1 I 3 ). 46) N 3 I 3 ω 3 ω 1 ω I I 1 ) Börja med att betrakta en kropp som är tvngad att rotera krng en fx axel med konstant vnkelhastghet. I så fall är ω 1 = ω = ω 3 = 0, som ger rot N 1 = ω ω 3 I 3 I 47) N = ω 3 ω 1 I 1 I 3 ) 48) N 3 = ω 1 ω I I 1 ) 49) Om rotatonen sker krng huvuröghetsaxeln, tll exempel 1 så har v ω = ω 3 = 0 och ω 1 är konstant. Detta ger oss att N 1 = N = N 3 = 0. Detta är skälet tll att man balanserar blhjul. Genom att justera hjulets massfördelnng, så kan man få att en av hjulets huvuröghetsaxlar sammanfaller med hjulaxeln. 50) 4

4 En stel kropps fra rotaton Betrakta en stel kropp som nte påverkas av något yttre vrdmoment. rörelsemängdsmomentet är konstant, det vll säga I så fall gäller det att L L = I 1 ω 1 + I ω + I 3 ω 3 = konstant. 51) I avsaknad av ett yttre vrdmoment så måste också rotatonsenergn vara bevarad, vlket ger T rot = ω L = I 1 ω 1 + I ω + I 3 ω 3 = konstant. 5) Ekvatonerna 51) och 5) beskrver två ellpser med halvaxlarna I1 1 : I 1 : I3 1 och I 1/ 1 : I 1/ : I 1/ 3, respektve. Vnkelhastghetsvektorn ω är begränsad att röra sg längs med skärnngskurvan mellan dessa ellpser. Det fnns två ntressanta specalfall; om ω är parallell med huvuröghetsaxeln med det största eller mnsta tröghetsmomentet så blr skärnngen en punkt, och ω är då fx, det vll säga v har en stabl rotaton. Däremot så är en rotaton krng axeln med det mellanlggande tröghetsmomentet nte stabl 5