BM30A2600 MEKANIIKAN PERUSTEET Luennot Syksy 2015 Kirsi Ikonen Sisällysluettelo 1 JOHDANTO.....................................................................................................................................1 1.1 Fysiikka ....................................................................................................................................1 1.2 Matematiikkaa..........................................................................................................................1 1.3 SI - järjestelmä..........................................................................................................................1 1.4 Yksiköiden muunnokset............................................................................................................2 1.5 Laskentatarkkuus......................................................................................................................2 2 SUORAVIIVAINEN LIIKE.............................................................................................................3 2.1 Johdanto....................................................................................................................................3 2.2 Keskinopeus ja keskivauhti......................................................................................................3 2.3 Nopeus .....................................................................................................................................4 2.4 Keskikiihtyvyys ja kiihtyvyys..................................................................................................5 2.5 Tasaisesti kiihtyvä liike.............................................................................................................6 2.6 Vapaa putoaminen.....................................................................................................................8 2.7 Kappaleen nopeus ja paikka, kun kiihtyvyys ei ole vakio........................................................9 3 LIIKE TASOSSA JA AVARUUDESSA ........................................................................................11 3.1 Paikka ja nopeus.....................................................................................................................11 3.2 Kiihtyvyys...............................................................................................................................12 3.2.1 Kiihtyvyyden normaali- ja tangentiaalikomponentit......................................................13 3.3 Ympyräliike............................................................................................................................14 3.3.1 Tasainen ympyräliike......................................................................................................14 3.3.2 Nopeudeltaan muuttuva ympyräliike..............................................................................15 3.4 Vino heittoliike .......................................................................................................................16 3.5 Suhteellinen liike....................................................................................................................18 3.5.1 Yksiulotteinen tapaus......................................................................................................18 3.5.2 Suhteellinen liike tasossa ja avaruudessa........................................................................19 4 ETENEVÄN LIIKKEEN DYNAMIIKKA....................................................................................20 4.1 Johdanto..................................................................................................................................20 4.2 Voimat ja voimien superpositio..............................................................................................20 4.3 Newtonin lait...........................................................................................................................21 4.3.1 Newtonin ensimmäinen laki............................................................................................21 4.3.2 Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki .............................................................21 4.3.3 Massa ja paino.................................................................................................................22 4.3.4 Newtonin kolmas laki eli voiman ja vastavoiman laki ..................................................22 4.4 Esimerkkejä Newtonin lakien käytöstä...................................................................................23 4.5 Kitka........................................................................................................................................24 4.6 Luonnon perusvuorovaikutukset.............................................................................................25 5 TYÖ JA LIIKE-ENERGIA............................................................................................................26 5.1 Johdanto..................................................................................................................................26 5.2 Työ .........................................................................................................................................26 5.3 Työ-energia-periaate...............................................................................................................27 5.4 Työ muuttuville voimille.........................................................................................................27 5.4.1 Harmoninen voima..........................................................................................................28 5.4.2 Työn laskeminen yleisesti...............................................................................................28 5.5 Teho.........................................................................................................................................29 5.5.1 Teho ja nopeus.................................................................................................................29 6 POTENTIAALIENERGIA, ENERGIAN SÄILYMINEN............................................................31 6.1 Johdanto..................................................................................................................................31 6.2 Painovoimakentän potentiaalienergia ....................................................................................31 6.3 Harmonisen voiman (jousen) potentiaalienergia....................................................................32 6.4 Mekaanisen energian säilyminen............................................................................................33 6.5 Konservatiiviset ja ei-konservatiiviset voimat........................................................................34 6.6 Energian säilymislaki..............................................................................................................35 6.7 Voiman ja potentiaalienergian yhteys.....................................................................................35 6.7.1 Tasapainotilat .................................................................................................................36 7 MONEN KAPPALEEN SYSTEEMIT..........................................................................................37 7.1 Johdanto..................................................................................................................................37 7.2 Massakeskipiste .....................................................................................................................37 7.3 Kappaleen liikemäärä ja voiman impulssi............................................................................39 7.4 Liikemäärän säilyminen..........................................................................................................41 7.5 Hiukkassysteemin liike-energia..............................................................................................43 7.6 Törmäykset.............................................................................................................................44 7.6.1 Kimmoton törmäys.........................................................................................................44 7.6.2 Osittain kimmoisa törmäys.............................................................................................45 7.6.3 Kimmoisa törmäys..........................................................................................................45 8 PYÖRIMISLIIKE...........................................................................................................................47 8.1 Johdanto..................................................................................................................................47 8.2 Kulmanopeus ja -kiihtyvyys...................................................................................................47 8.2.1 Kulmanopeus..................................................................................................................48 8.2.2 Kulmakiihtyvyys.............................................................................................................49 8.3 Tasaisesti kiihtyvä pyörimisliike.............................................................................................50 9 PYÖRIMISLIIKKEEN DYNAMIIKKA......................................................................................52 9.1 Johdanto..................................................................................................................................52 9.2 Voiman momentti....................................................................................................................52 9.3 Pyörimisliikkeen perusyhtälö.................................................................................................53 9.4 Kappaleen hitausmomentin laskeminen.................................................................................55 9.4.1 Steinerin sääntö...............................................................................................................55 9.5 Esimerkkejä pyörivän kappaleen dynamiikasta......................................................................56 9.6 Pyörimisliikkeen energia........................................................................................................57 9.7 Työ ja teho pyörimisliikkeessä ...............................................................................................58 9.8 Yhdistetty etenevä liike ja pyörimisliike................................................................................59 9.8.1 Vieriminen liukumatta.....................................................................................................59 9.8.2 Pyörivän ja etenevän kappaleen energia........................................................................60 9.8.3 Vierivän ja etenevän kappaleen dynamiikka...................................................................60 9.9 Liikemäärämomentti...............................................................................................................61 9.10 Liikemäärämomentin säilyminen.........................................................................................62 9.10.1 Prekessio.......................................................................................................................64 10 TASAPAINO................................................................................................................................64 10.1 Johdanto................................................................................................................................64 10.2 Tasapainoehdot.....................................................................................................................65 10.2.1 Voimien tasapaino.........................................................................................................65 10.2.2 Momenttien tasapaino...................................................................................................65 LIITE A : Perusmatematiikkaa...........................................................................................................67 A.1 Potenssit, logaritmit, ym........................................................................................................67 A.2 Trigonometriset funktiot.........................................................................................................67 LIITE B : Derivointi...........................................................................................................................69 B.1 Keskimääräinen muutosnopeus. Derivaatta...........................................................................69 B.2 Derivointisääntöjä..................................................................................................................70 LIITE C : Integrointi..........................................................................................................................71 C.1 Määrätty integraali.................................................................................................................71 LIITE D : Vektorit..............................................................................................................................73 D.1 Vektorit...................................................................................................................................73 D.2 Vektorialgebraa......................................................................................................................73 D.3 Vektori suorakulmaisessa koordinaatistossa .........................................................................75 D.4 Vektorien yhteen- ja vähennyslasku suorakulmaisessa koordinaatistossa.............................76 D.5 Vektorien pistetulo ................................................................................................................77 D.6 Vektorien ristitulo...................................................................................................................78 D.7 Vektorin derivaatta.................................................................................................................79 D.8 Vektorin integrointi................................................................................................................80 D.9 Käyrän vektoriesitys, parametriesitys ja käyrän yhtälö.........................................................80 LIITE E: Tenttipaperin liitteenä jaettavat yhtälöt...............................................................................82 Hitausmomentteja.....................................................................................................................83 1 1 JOHDANTO 1.1 Fysiikka Fysiikka kuvaa meitä ympäröivän maailman ilmiöitä niistä tehtyjen kokeellisten havaintojen perusteella. Kuvaus perustuu muutamaan mitattujen suureiden välisiä suhteita kuvaavaan peruslakiin, joista ilmiöiden havaitut piirteet ovat johdettavissa. Jokaisen peruslain sovellusalue on hyvin laaja, mutta lakien soveltaminen edellyttää tilanteen yksinkertaistamista ja epäolennaisten piirteiden karsimista. Peruslakien avulla ilmiöitä voidaan kuvata matemaattisilla malleilla, joiden avulla voidaan laskea ilmiöön liittyvien suureiden arvoja. Fysiikan lakien käyttö edellyttää siis matematiikan perustaitojen hallintaa. 1.2 Matematiikkaa Vaikka matematiikka onkin fysiikan keskeinen työväline, varsin pitkälle riittää, kun hallitsee kohtuullisen suppean joukon matemaattisia apuvälineitä. Tavallisimpia fysiikan tehtävissä esiintyviä funktioita ja laskusääntöjä on koottu liitteeseen A. Useat fysiikan suureet, kuten esimerkiksi nopeus ja kiihtyvyys, määritellään muutosnopeuden eli derivaatan avulla. Derivaatan ominaisuuksia ja derivointiin liittyviä laskusääntöjä on koottu liitteeseen B. Mikäli funktion derivaatta tunnetaan, itse funktio saadaan selville integroiden. Joitakin integraalilaskennan perusasioita on liitteessä C. Usein fysikaalisen suureen arvon ilmaisemiseen riittää pelkkä lukuarvo. Esimerkiksi tiheys ρ, massa m, tilavuus V ja lämpötila T ilmaistaan pelkän lukuarvon ja suureeseen liittyvän mittayksikön avulla. Nämä suuret ovat skalaarisuureita. Moniin muihin suureisiin liittyy suuruuden lisäksi myös suunta. Näitä suureita kuvaamaan tarvitaan vektoreita. Tässä monisteessa vektorisuureet merkitään lihavoiden, kuten esimerkiksi voima F, nopeus v, kiihtyvyys a. Muut merkintätavat ja vektorilaskennan perusteet on esitelty liitteessä D. Vektoreilla on keskeinen sija niin mekaniikan kuin myös sähköopin kursseilla ja siksi vektoreiden käsittelyyn liittyvät perusoperaatiot on ehdottomasti hallittava. 1.3 SI - järjestelmä SI - järjestelmä yhtenäistää mittauksissa käytetyt mittayksiköt. Mittayksiköt jaetaan perussuureisiin ja johdannaissuureisiin. Mekaniikassa tarvitaan vain kolme perussuuretta: pituus l, aika t ja massa m. Pituuden yksikkö on [l] = m, metri, ajan yksikkö [t] = s, sekunti sekä massan yksikkö [m] = kg, kilogramma. Muita perussuureita ovat lämpötila T, [T] = K, kelvin, sähkövirta I, [I] = A, ampeeri, ainemäärä n, [n] = mol, mooli sekä valovoima I, [I] = cd, kandela. Kaikki muut suureet voidaan muodostaa perussuureiden avulla ja niiden mittayksiköt perussuureiden mittayksikköjen avulla, esimerkiksi nopeus v, jonka yksikkö on [v] = m/s. Joidenkin johdannaissuureiden mittayksiköillä on oma nimensä. Tällaisia ovat mm. voima F, yksikkönä [F] = kgm/s2 = N, newton, työ W, yksikkönä [W] = Nm = J, joule. Kulman θ SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö on [θ] = rad, radiaani. Lisäksi yleisessä käytössä on joukko vakiintuneita, SI järjestelmään kuulumattomia yksiköitä, kuten esimerkiksi vuosi a, tunti h ja minuutti min. Atomi- ja ydinfysiikassa käytetään yleisesti yksikköä elektronivoltti eV = 1,60×10-19 J. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 2 1.4 Yksiköiden muunnokset Useiden fysiikassa esiintyvien suureiden vaihteluväli on hyvin laaja. Siksi on kiinnitettävä erityistä huomioita lukuarvojen esitystapaan. Selkeintä on esittää suuret ja pienet lukuarvot kymmenen potenssien avulla siten, että eksponentti on kolmella jaollinen. Yleisimmille kymmenen potensseille on oma lyhenteensä, jota voi käyttää mittayksikön etuliitteenä (Taulukko 1.1). Mittayksikköön tulee liittää Kymmenen Etuliite Lyhenne Kymmenen Etuliite Lyhenne vain yksi etuliite eikä potenssi potenssi samassa yhteydessä saa käyttää sekä etuliitettä että 1015 peta P 10-3 milli m kymmenen potenssia. Lopuksi muutamia käytännön ohjeita. Tehtäviä 109 giga G 10-9 nano n ratkaistaessa tulee aluksi johtaa tuntemattomalle 106 mega M 10-12 piko p suureelle lauseke tunnettujen suureiden 103 kilo k 10-15 femto f funktiona, jotta nähdään näiden keskinäinen Taulukko 1.1: Kymmenpotenssien etuliitteet ja lyhenteet riippuvuus. Vasta tämän jälkeen sijoitetaan paikoilleen suureiden lukuarvot yksiköineen (korvaa yksiköitten etuliitteet vastaavilla kymmenen potensseilla). Yleensä yksiköt kannattaa aina muuntaa SI - järjestelmän mukaisiksi. Kun tuloksen numeroarvo on laskettu, tarkistetaan, että sijoitettujen suureiden mittayksiköt antavat laskettavalle suureelle tulokseksi oikean yksikön ja arvioidaan, että tuloksen lukuarvo on järkevä. 1012 tera T 10-6 mikro μ 1.5 Laskentatarkkuus Numeerisessa laskennassa on aina kiinnitettävä huomiota myös laskentatarkkuuteen. Lukuarvon tarkkuus ilmoitetaan usein luvussa olevien numeroiden määrän avulla. Jos esimerkiksi kappaleen pituudeksi ilmoitetaan l = 0,026 m, se tarkoittaa, että kappaleen pituus l on välillä 0,0255 m < l < 0,0265 m. Pituuden l tarkkuus on silloin 1 mm ja pituuden lukuarvossa on kaksi merkitsevää numeroa. Huomaa, että suuren luvun tarkkuus on helppo päätellä, jos käytetään kymmenpotenssiesitystä. Oletetaan esimerkiksi, että kahden pisteen väliseksi etäisyydeksi on mitattu d = 1350 m. Nyt mittauksen todellista tarkkuutta (±5 m vai ±0,5 m) ei voi päätellä, mutta kymmenpotenssiesitystä käyttäen näin on: jos mittaustarkkuus on ±5 m, annetaan tulos muodossa d = 1,35×103 m, mutta jos tarkkuus on ±0,5 m, kirjoitetaan tulos d = 1,350×103 m. Lukujen esitystarkkuus kannattaa ottaa huomioon tuloksia laskettaessa, jotta vältytään turhalta kirjoitustyöltä. Perussääntö laskettaessa on, että välitulokset kirjataan 1- 2 numeroa suuremmalla tarkkuudella, kuin lähtöarvot, mutta lopputuloksiin otetaan mukaan sama määrä merkitseviä numeroita kuin on epätarkimmassa lähtöarvossa. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 3 2 SUORAVIIVAINEN LIIKE 2.1 Johdanto Mekaniikka tutkii kappaleiden liikettä sekä voimien vaikutuksia kappaleisiin ja niiden liiketilaan. Mekaniikasta voidaan erottaa kolme aluetta: kinematiikka, dynamiikka ja statiikka. Kinematiikka tutkii kappaleen liikettä, kun sen liiketila (paikka, nopeus ja kiihtyvyys) jollakin hetkellä tunnetaan. Millaiset voimat ovat liikkeen syynä, ei kuulu kinematiikan tutkimuskohteisiin. Dynamiikka sen sijaan käsittelee voimia ja niiden aiheuttamia liiketilojen muutoksia. Statiikka puolestaan tutkii ehtoja, joilla voimat ovat tasapainossa. Seuraavissa luvuissa tarkastellaan näitä kolmea mekaniikan aluetta olettaen, että kappaleen liike on yksinomaan etenevää liikettä, ts. pyörimisliikettä ei esiinny. Tästä seuraa, että kappaleita voidaan tarkastella liikkuvina massapisteinä, joiden koko massa on keskittynyt painopisteeseen. Sama rajoitus koskee myös statiikkaa: pyörimisliikkeen mahdollisuutta ei ole, ts. kaikkien voimien voidaan ajatella vaikuttavan samaan pisteeseen. Tämä rajoitus poistetaan, kun statiikkaan palataan uudelleen viimeisessä luvussa. 2.2 Keskinopeus ja keskivauhti Tarkastellaan aluksi yksiulotteista liikettä x-akselilla, P0 jolloin kappaleen paikka voidaan ilmaista sen xP1 koordinaatin avulla. Kappaleen liiketilan yksikäsitteiseen x 1 - x0 x määrittämiseen tarvitaan vielä tieto kappaleen nopeudesta ja kiihtyvyydestä. t1 - t0 Määritellään aluksi kappaleen keskinopeus vk. Jos kappale (x0, t0) (x1 ,t1 ) on hetkellä t0 x-akselin pisteessä x0 ja hetkellä t1 pisteessä Kuva 2.1: X-akselilla liikkuva kappale x1 (kuva 2.1) on keskinopeus vk = Nopeuden yksikkö on [vk] = x 1 − x0 siirtymä Δx = = käytetty aika t1 − t0 Δt (2.1) m . s Kuten jo luvussa 1 todettiin, nopeus on itse asiassa vektori, koska se sisältää tiedon myös kappaleen liikesuunnasta. Kun x liike rajoitetaan x-akselille, ei vektorimerkintöjä tarvita, vaan liikkeen suunnan ilmaisee keskinopeuden etumerkki: jos vk > 0, kappale liikkuu positiivisen x-akselin suuntaan. Vastaavasti, jos x 1 vk < 0, liike on negatiivisen x-akselin suuntaan. Jos kappaleen paikka x ajan funktiona esitetään graafisesti (kuva 2.2), vk on x-t x0 - kuvaajaan piirretyn, pisteitä P0 ja P1 yhdistävän suoran kulmakerroin. P1 P0 t0 t1 t Keskinopeus ei ota kantaa siihen, mikä oli kappaleen todellinen Kuva 2.2: Kappaleen paikka ajan reitti, kun siirrytään pisteestä x0 pisteeseen x1. Keskivauhti uk funktiona. puolestaan ottaa huomioon tarkasteluaikana kuljetun LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 4 kokonaismatkan s (kuva 2.3) s uk = Δx (x1, t1) (x0, t0) [uk] = s t1 − t0 (2.2) m . Huomaa, että s ≥ 0 aina, joten myös uk ≥ 0. s Kuva 2.3: Esimerkki 2.1: Opiskelija ajoi autolla Tampereelta Jyväskylään ja takaisin. Menomatkaan häneltä kului aikaa 2 h 30 min ja paluumatkaan 4,0 h. Kaupunkien välimatka on 150 km. Laske a) keskinopeus ja b) keskivauhti edestakaisella matkalla (0 km/h, 46 km/h) 2.3 Nopeus Kuvassa 2.4 on jälleen esitetty erään kappaleen paikka x - akselilla ajan funktiona. Kappaleen keskinopeus vk välillä (x0, x0+Δx) määriteltiin yhtälöllä x Δx = vk Δt vk = x = f(t) x 1 − x0 Δx = t1 − t0 Δt (2.3) x1 Δx x0 Δt t0 Δx = vΔt t1 Kuva 2.4: Kappaleen paikka ajan funktiona Kun annetaan tarkasteluajan lähestyä nollaa, Δt → 0, saadaan (hetkellinen) nopeus v pisteessä x0, joka on kappaleen paikan derivaatta ajan suhteen: t v= dx dt (2.4) Kuvasta 2.4 nähdään, että v on ratakäyrän x = f(t) tangentin kulmakerroin pisteessä (x0, t0). Nopeusvektorin suunnan näkee jälleen nopeuden etumerkistä: jos v > 0, kappale liikkuu positiivisen x-akselin suuntaan ja jos v < 0, negatiivisen x-akselin suuntaan. (Hetkellinen) vauhti u puolestaan tarkoittaa kappaleen nopeuden itseisarvoa: u = |v|. Tällöin kappaleen liikesuuntaan ei kiinnitetä huomiota. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 5 Esimerkki 2.2: Oheinen kuvaaja esittää auton nopeutta ajan funktiona aikavälillä 0... 5,0 minuuttia. x[m] 2000 Määritä kuvaajan perusteella 1000 a) keskinopeus aikavälillä 0... 4,0 min, b) keskivauhti aikavälillä 0... 4,0 min ja 0 c) nopeus hetkellä t = 1,5 min. 0,0 1,0 3,0 4,0 t[min] 2,0 (15 km/h; 30 km/h; 45 km/h) Esimerkki 2.3: Oheinen kuva esittää kappaleen paikkaa ajan funktiona. Aseta suuruusjärjestykseen kappaleen nopeus ja vauhti hetkillä t1, t2 ja t3. x (v3 < v2 < v1; u2 < u1 < u3 ) t1 t2 t3 t 2.4 Keskikiihtyvyys ja kiihtyvyys v Δv = ak Δt Kiihtyvyydellä a tarkoitetaan nopeuden muutosnopeutta. Kuvassa 2.5 on esitetty erään kappaleen nopeus ajan funktiona. Määritellään aluksi keskikiihtyvyys ak: v=f(t) v1 ak = Δv = a Δt v0 v1 − v0 Δv = t1 − t0 Δt (2.5) m 2 . Nopeuden s Kuva 2.5: Kappaleen nopeus ajan muutossuunnan kertoo kiihtyvyyden etumerkki yhdessä funktiona nopeuden etumerkin kanssa. Jos nopeus ja kiihtyvyys ovat erimerkkisiä, on kappaleen liike hidastuvaa, jos taas samanmerkkisiä, kappaleen vauhti kasvaa. t0 t1 t Kiihtyvyyden yksikkö on [a ]= Kun annetaan jälleen tarkasteluajan Δt → 0, saadaan (hetkellinen) kiihtyvyys a, joka on kappaleen nopeuden derivaatta ajan suhteen: LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 6 a= dv dt (2.6) Kuvasta 2.5 nähdään, että kiihtyvyys on nopeutta ajan funktiona kuvaavan käyrän v = f(t) tangentin dx kulmakerroin. Koska v = , kiihtyvyys voidaan laskea myös paikan x(t) avulla: dt a= d2 x dt 2 (2.7) 2.5 Tasaisesti kiihtyvä liike Tasainen liike Jos kappale liikkuu tasaisella nopeudella, sen kiihtyvyys a = 0 ja nopeus on vakio: v = vk. Oletetaan, että kappale on hetkellä t0 pisteessä x0 ja mielivaltaisella hetkellä t pisteessä x. Tällöin keskinopeuden määritelmän (2.1) avulla saadaan nopeudelle lauseke vk = v x − x0 =v t − t0 Tästä saadaan kappaleen paikka x mielivaltaisella hetkellä t: v x= x0 v t−t 0 (2.8) v(t-t0) Jos x0 = 0, kun t0 = 0 saadaan t0 t t Kuva 2.6: Vakionopeudella liikkuvan kappaleen paikan muutos x=v t (2.9) Kun piirretään kappaleen nopeus ajan funktiona (kuva 2.6), havaitaan, että kappaleen paikan muutos x - x0 on suoran v = vakio ja t-akselin väliin jäävä pinta-ala aikavälillä [t0, t]. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 7 Tasaisesti kiihtyvä liike Kun kappaleen liike on tasaisesti kiihtyvää, on kappaleen kiihtyvyys vakio, a = ak . Jos kappaleen nopeus hetkellä t = t0 on v0, saadaan nopeus v hetkellä t soveltaen keskikiihtyvyyden lauseketta (2.5): ak = v − v0 =a t − t0 a Ratkaistaan tästä v: a a(t-t0) v=v 0a t−t 0 t t t0 (2.10) Jos merkitään t0 = 0, on nopeus hetkellä t: Kuva 2.7: Vakiokiihtyvyydellä liikkuvan kappaleen nopeuden muutos v =v 0 at (2.11) Kuvasta 2.7 nähdään, että kappaleen nopeuden lisäys ajassa t - t0 on suoran a = vakio ja t- akselin väliin jäävän pinta-ala aikavälillä [t0, t]. Tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä kappaleen keskinopeus on alku- ja loppunopeuksien keskiarvo: vk = v0 v 2 (2.12) Kun korvataan tasaisesti muuttuva nopeus keskinopeudella, saadaan yhtälöstä (2.8) kappaleen paikka hetkellä t : x = x 0 v k t − t 0 = x 0 v0 v t − t 0 2 (2.13) Kun tähän sijoitetaan (2.10), saadaan v 1 2 2 a(t-t0) v0 a(t-t0) v0 v0(t-t0) t0 x = x 0 v0 t − t 0 t t 1 2 a t − t 0 2 (2.14) Kappaleen paikan muutos x - x0 saadaan myös kuvan 2.8 mukaisesti suoran (2.10) ja t-akselin välisenä pinta-alana. Kuva 2.8: Vakiokiihtyvyydellä liikkuvan kappaleen paikan muutos LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 8 Mikäli kiihtyvyys on sellainen, että kappale ei tarkasteluaikana muuta liikesuuntaansa, kappaleen ajassa t kulkema matka on s = x - x0 ja saadaan suoraan yhtälöstä (2.14). Jos halutaan tietää vain kappaleen nopeuden ja paikan välinen yhteys, voi edellisistä paikan ja nopeuden lausekkeista (2.14) ja (2.10) johtaa yhtälön 2 2 v = v0 2 a x − x0 (2.15) Esimerkki 2.4: Teekkari juoksee kadun suuntaisesti vakionopeudella 5,0 m/s kohti pysäkillä seisovaa bussia. Bussi lähtee liikkeelle poispäin teekkarista vakiokiihtyvyydellä 0,170 m/s2, kun hän on 40 m päässä. a) Missä ja milloin teekkari tavoittaa bussin? b) Mikä on bussin nopeus tällöin? c) Millä nopeudella teekkarin on vähintään juostava, jotta hän saavuttaisi bussin? (48 m, 9,6 s; 1,6 m/s; 3,7 m/s) 2.6 Vapaa putoaminen Maan vetovoimakenttä kohdistaa kappaleeseen voiman, jonka vaikutuksesta vapaasti ilmassa oleva kappale joutuu tasaisesti kiihtyvään liikkeeseen. Suomessa maan pinnan läheisyydessä kiihtyvyys on g = 9,82 m/s2. Oletetaan, että kappale heitetään hetkellä t = 0 alkunopeudella v = v0 suoraan ylöspäin, eikä ilmanvastuksella ole vaikutusta kappaleen liikkeeseen. Kun kiinnitetään koordinaatisto siten, että y-akselin positiivinen suunta on ylöspäin, on kiihtyvyys a = -g. Sijoittamalla tämä yhtälöihin (2.11) ja (2.14), saadaan kappaleen nopeus ja paikka ajanhetkellä t lausekkeista v=v 0−g t (2.16) 1 2 y= y 0v0 t − g t 2 (2.17) ja Esimerkki 2.5: Pallo heitetään tasaiselle maalle rakennetun 10 m korkean talon katolta nopeudella 15 m/s suoraan ylöspäin siten, että se putoaa katon reunan ohi. Laske pallon paikka ja nopeus a) 1,0 s ja b) 4,0 s kuluttua lähdöstä. (20,1 m, 5,2 m/s; 0 m, 0 m/s) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 9 Esimerkki 2.6: Esitä graafisesti kappaleen paikka y, nopeus v ja kiihtyvyys a ajan funktioina pystysuorassa heittoliikkeessä, kun alkunopeus v0 on suoraan ylöspäin ja kappale lähtee liikkeelle pisteestä y = 0. y Ratkaisu: Kappaleen paikka ajan funktiona (2.17): 1 y= y 0v0 t − g t 2 on paraabeli, jonka huippu on kohdassa tmax : 2 ymax v dy = v 0− g t = 0 → t max = 0 . dt g tmax 2 1 v0 Tällä hetkellä kappale on korkeudella y max = ja sen nopeus on 2 g v = 0. Kappale on jälleen lähtöpisteensä korkeudella hetkellä t = 2tmax. Nopeus ajan funktiona (2.16): Hetkellä t = tmax kappaleen nopeus on v = 0 ja hetkellä t = 2tmax kappaleen nopeus on v = -v0. Kiihtyvyys ajan funktiona: Kiihtyvyys on vakio, a = -g. 2tmax t v v0 tmax 2tmax t 2tmax t -v0 a -g 2.7 Kappaleen nopeus ja paikka, kun kiihtyvyys ei ole vakio Yleistetään kappaleen liikkeen tarkastelu tilanteeseen, jossa kiihtyvyys ei ole vakio (kuva 2.9). Vaikka kiihtyvyys muuttuu, hetkellisesti kiihtyvyyttä voidaan pitää vakiona, joten lyhyessä ajassa Δt nopeus muuttuu yhtälön (2.4) mukaisesti määrällä Δv: a ak Δv = a k Δt t0 Δt t (2.18) t Kun annetaan ajan Δt lähestyä nollaa, Δt → dt ja kiihtyvyys Kuva 2.9: Kappaleen kiihtyvyys ajan ak lähestyy hetkellistä kiihtyvyyttä a. Nyt nopeuden muutos funktiona ajassa dt on dv = adt. Jos kappaleen nopeus on v0, kun t = t0, saadaan nopeus hetkellä t integroiden (liite C): LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 10 v t ∫ dv = ∫ a dt v0 t0 josta t v = v 0 ∫ a dt (2.19) t0 Kuvan 2.9 mukaan kappaleen nopeuden muutos on yhtä suuri kuin käyrän a(t) ja t-akselin väliin jäävä pinta-ala aikavälillä [t0, t]. Vastaavasti menetellen voidaan laskea kappaleen paikka. Jos kappaleen nopeus on v hetkellä t, ajassa dt kappale liikkuu matkan dx = vdt. Jos kappale oli hetkellä t = t0 pisteessä x = x0 , sen paikka hetkellä t on t x = x 0 ∫ v dt (2.20) t0 Esimerkki 2.7: Olkoon kappaleen kiihtyvyys a = vakio, nopeus v = v0 ja paikka x = x0 kun t0 = 0. Yhtälön (2.18) mukaan kappaleen nopeus hetkellä t on t t v = v 0 ∫ a dt = v 0 a ∫ dt = v 0 a t 0 0 Tulos on yhtälön (2.11) mukainen. Vastaavasti kappaleen paikka on yhtälön (2.20) mukaan t t t t x = x 0 ∫ v dt = x0 ∫ v0 at dt = x0 ∫ v 0 dt ∫ at dt = x0 v 0 t 0 0 0 0 1 2 at 2 Tulos on yhtälön (2.14) mukainen. Esimerkki 2.8: Kappaleen nopeus muuttuu oheisen kuvan mukaisesti ja se lähtee liikkeelle origosta hetkellä t = 0 s. Laske kappaleen paikka hetkellä t = 3,0 s. (-1,5 m) LUT/Mafy v[m/s] 2 1 0 -1 -2 -3 1 2 3 4 t[s] Mekaniikan perusteet 11 3 LIIKE TASOSSA JA AVARUUDESSA 3.1 Paikka ja nopeus Kun kappale on hetkellä t pisteessä (x, y, z), sen paikkaa kuvaa suorakulmaisessa koordinaatistossa paikkavektori r (kuva 3.1): y (x,y,z) zk r r =x i y j z k yj xi x (3.1) Kappaleen liikkuessa paikkavektorin kärki liikkuu pitkin kappaleen liikettä kuvaavaa ratakäyrää (kuva 3.2). Ajassa Δt = t - t0 kappale liikkuu pisteestä r0 pisteeseen r ja paikan muutosta kuvaa siirtymävektori Δr z Kuva 3.1: Paikkavektori r r =r 0 Δ r Paikan muutos tapahtuu keskinopeudella vk: y vk r0 (3.2) Δr vk = r − r0 Δr = t − t0 Δt (3.3) r x z Keskinopeusvektorin suunta on sama kuin siirtymävektorin Δr. Kun annetaan Δt →0, saadaan kappaleen nopeudeksi pisteessä r Kuva 3.2: Siirtymävektori Δr ja keskinopeusvektori vk v= dr dt (3.4) Kappaleen nopeus on siis paikkavektorin derivaatta. Nopeusvektori v on ratakäyrän tangentin suuntainen ja se voidaan kirjoittaa koordinaattiakselien suuntaisten nopeuskomponenttien avulla: v = vxi vy j vz k (3.5) Kukin nopeuden komponentti kertoo paikan muutosnopeuden ao. koordinaattiakselin suhteen: vx = LUT/Mafy dx dy dz ; vy = ; vz = dt dt dt (3.6) Mekaniikan perusteet 12 Hetkellä t kappale liikkuu nopeusvektorin osoittamaan suuntaan vauhdilla, jonka antaa nopeuden itseisarvo: y v vy θ v = vx v y vz 2 vx x 2 2 (3.7) Jos liike tapahtuu xy - tasossa (kuva 3.3), ei nopeudella ole z-komponenttia ja kappaleen vauhti on Kuva 3.3: Kappaleen nopeusvektori xy - tasossa v = v 2x v 2y (3.8) Nyt nopeusvektorin suunta x- akselin suhteen on kuvan mukaisesti tan θ = vy vx (3.9) 3.2 Kiihtyvyys y v0 v Jos kappaleen nopeus ei ole vakio, ajassa Δt = t - t0 kappaleen nopeus muuttuu alkunopeudesta v0 arvoon v (kuva 3.4): (3.10) v = v0 v x Kuva 3.4: Nopeuden muutos (kuva 3.5) merkitsee, että kappaleen keskikiihtyvyys ak on ak = v0 v − v0 v = t − t0 t (3.11) Kun jälleen annetaan ajan Δt lähestyä nollaa, saadaan (hetkellinen) kiihtyvyys a (kuva 3.6): Δv v a= dv dt (3.12) Kuva 3.5: Kiihtyvyysvektoriin sisältyy tieto sekä nopeusvektorin itseisarvon että sen suunnan muuttumisesta. Kiihtyvyysvektori xyz - koordinaatistossa on LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 13 a = ax i a y j az k (3.13) Kukin kiihtyvyyden komponentti antaa nopeuden muutoksen ao. koordinaattiakselin suhteen: y v a ax = x Kuva 3.6: Kiihtyvyysvektori ax = dv x dv y ; ay = ; dt dt az = dv z dt (3.14) Koska nopeus on paikan derivaatta ajan suhteen, voidaan kiihtyvyyden komponentit antaa myös muodossa d2 x d2 y d2 z ; a = ; a = y z dt 2 dt 2 dt 2 (3.15) Esimerkki 3.1: Kappaleen paikkaa ajan funktiona kuvaavat yhtälöt 2 x = 2,0 − 0,25 t 3 y = 1,0 t 0,025 t missä [x] =[y] = m ja [t] = s. Laske hetkellä t = 2,0 s kappaleen a) paikka, b) nopeus (suunta ja suuruus) sekä c) kiihtyvyys (suunta ja suuruus) (r = 1,0 i +2,2 j m; 1,6 m/s, 128°; 0,58 m/s2, 149° ) 3.2.1 Kiihtyvyyden normaali- ja tangentiaalikomponentit v at β a an Millä tahansa hetkellä kappaleen kiihtyvyysvektori a voidaan jakaa myös nopeuden v suuntaiseen (tangentiaali-) komponenttiin at ja sitä vastaan kohtisuoraan (normaali-) komponenttiin an kuvan 3.7 mukaisesti. Tangentiaali- ja normaalikomponenttien avulla kiihtyvyysvektorin itseisarvo on a = a 2t a 2n (3.16) Kuva 3.7: Kiihtyvyyden normaalija tangentiaalikomponentit LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 14 Kiihtyvyysvektorin suunta nopeuden v suhteen on tan β = an at (3.17) Kuvasta 3.7 nähdään, että kiihtyvyyden tangentiaalinen komponentti kasvattaa kappaleen vauhtia, koska tangentiaalikomponentin aiheuttama nopeuden muutos on v-vektorin suuntainen. Vastaavasti voidaan päätellä, että kiihtyvyyden normaalikomponentti ei muuta kappaleen vauhtia, mutta muuttaa nopeusvektorin suuntaa. Jos siis kiihtyvyyden tangentiaalikomponentti at = 0, kappale liikkuu vakiovauhdilla, mutta liikesuunta muuttuu. Jos taas kiihtyvyyden normaalikomponentti an = 0, kappale liikkuu suoraan, mutta sen nopeus voi muuttua. Esimerkki 3.2: Laske esimerkin 3.1 kappaleen kiihtyvyyden tangentiaali- ja normaalikomponentit hetkellä t = 2,0 s. (0,54 m/s2, 0,21 m/s2) 3.3 Ympyräliike 3.3.1 Tasainen ympyräliike Tasaisessa ympyräliikkeessä kappale liikkuu ympyrärataa vakiovauhdilla (3.8). Missä tahansa kahdessa radan pisteessä P1 ja P2 mitatut ratanopeudet ovat samat, v1 = v2 = v, mutta nopeudet eivät, koska nopeusvektorin suunta muuttuu. v2 P2 v1 Ajassa Δt kappale liikkuu matkan Δs ja samalla kappaleen nopeus muuttuu määrällä Δv (kuva 3.9). Koska nopeusvektori on radan Δφ tangentin suuntainen, ympyräliikkeessä nopeusvektori on aina kohtisuorassa ympyrän sädettä r vastaan. Tästä seuraa, että P1 O r vektoreiden v1 ja v2 välinen kulma on sama kuin kuvan 3.8 säteiden välinen keskuskulma Δφ. Siten kuviin piirretyt kolmiot OP1P2 ovat yhdenmuotoiset (kun Δφ on pieni, ympyrän kaaren Kuva 3.8: Tasainen ympyräliike osaa Δs voidaan pitää suorana) : Δs v1 P1 Δφ O Kuva 3.9: LUT/Mafy ∣ v∣ s = v1 r Δv P2 v2 (3.18) Keskikiihtyvyys tällä matkalla on siis ak = ∣ v∣ v 1 s = r t t (3.19) Mekaniikan perusteet 15 Kun Δt → 0, s ds = v ja koska v1 = v, saadaan kiihtyvyydeksi dt t 2 ar = v v r (3.20) Kiihtyvyysvektori on kohtisuorassa nopeusvektoria vastaan, kohti ympyrän keskipistettä, josta syystä ar on nimeltään keskeiskiihtyvyys (kuva 3.10). ar Kappaleelta kuluu yhteen kokonaiseen kierrokseen aika T, joten tasaisessa ympyräliikkeessä ratanopeus on r v= O 2 r T (3.21) Kuva 3.10: Keskeiskiihtyvyys Tasaisessa ympyräliikkeessä keskeiskiihtyvyyden aiheuttaa kappaleeseen vaikuttava nettovoima, joka Newtonin toisen lain mukaan on saman suuntainen kuin kiihtyvyysvektori eli kohti rataympyrän keskipistettä ja suuruudeltaan v2 Σ F i = m ar = m r (3.22) Jos voiman vaikutus lakkaa, jatkaa kappale liikettään radan tangentin suuntaisesti. Esimerkki 3.3: Surmanajaja ajaa R-säteisessä pallossa ympyräradalla, jonka taso on pystysuorassa. Osoita, että ajaja pysyy pallon pinnassa kiinni, jos hänen ratanopeutensa on v≥ Rg . 3.3.2 Nopeudeltaan muuttuva ympyräliike Jos kappaleen ratanopeus muuttuu, on kiihtyvyydellä myös radan tangentin suuntainen komponentti d ∣v∣ at. Tangentiaalikomponentti kuvaa ratanopeuden v=∣v∣ muutosnopeutta a t = ja dt 2 v keskeiskiihtyvyys a r = nopeusvektorin suunnan muutosnopeutta. Kokonaiskiihtyvyyden r itseisarvo on a = a 2t a 2r , eikä kiihtyvyysvektori ole tässä tapauksessa ympyrän säteen suuntainen. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 16 Esimerkki 3.4: Auto tulee neljännesympyrän muotoiseen kaarteeseen (R = 190 m) nopeudella 20 m/s. Kaarteessa auto jarruttaa tasaisesti siten, että hidastuvuus on 0,92 m/s2. Laske auton kiihtyvyys 4,0 sekunnin kuluttua siitä, kun se tuli kaarteeseen. (1,68 m/s2) 3.4 Vino heittoliike Tarkastellaan seuraavaksi kappaleen liikettä maan vetovoimakentässä yleisemmin, kun maan vetovoima on ainoa kappaleeseen vaikuttava voima (ilmanvastusta ei huomioida). Oletetaan, että kappale heitetään ilmaan hetkellä t0 = 0 pisteestä (x0, y0) alkunopeudella v0 kulmassa α0 vaakatason suhteen (kuva 3.11). Kappaleen liikerata on tasossa, jonka määräävät maan vetovoiman kiihtyvyys ja alkunopeusvektori. Määritellään koordinaatisto kuvan 3.11 mukaisesti ja tarkastellaan liikettä erikseen x- akselin suunnassa ja y akselin suunnassa. Kappaleella ei ole kiihtyvyyttä x-akselin suunnassa : ax = 0. Tästä seuraa, että liike on tasaista ja kappaleen nopeus on vakio v x = v 0 x = v 0 cos 0 y v0 v0y -g α0 y0 v0x x0 x Kuva 3.11: (3.23) Hetkellä t kappaleen paikan x- koordinaatti on x = x 0 v0 x t (3.24) Vastaavasti y - akselin suunnassa kiihtyvyys on ay = -g ja liike on tasaisesti kiihtyvää. Alkunopeus on v0y = v0 sin α0. Ajanhetkellä t kappaleen nopeus on v y = v0 y − g t (3.25) ja paikan y- koordinaatti y = y0 v0 y t − 1 2 gt 2 (3.26) Tällä hetkellä kappale on etäisyydellä LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 17 r = x − x 0 2 y − y 0 2 (3.27) lähtöpisteestään, sen vauhti on v = v 2x v 2y (3.28) ja nopeusvektorin suunta x-akselin suhteen tan α = vy vx (3.29) Jos oletetaan, että kappale lähtee liikkeelle koordinaatiston origosta ja kappaleen x- ja y koordinaatteja kuvaavista yhtälöistä (3.24) ja (3.26) eliminoidaan aika, nähdään, että ratakäyrä on paraabeli (osoita!): y= v0 y g 2 x− x 2 v0 x 2 v0 x (3.30) Esimerkki 3.5:Pallot A ja B lähtevät liikkeelle samanaikaisesti, A alkunopeudella v0 = 6,0 m/s kulmassa θ = 37° vaakatason suhteen ja B putoaa vapaasti. B a) Osoita, että pallot kohtaavat. 0 3, b) Laske kohtauspaikka. m v0 (x = 2,4 m, y = 0,56 m) θ = 37° A Esimerkki 3.6: Pallo heitetään ilmaan tasaisella maalla 53,1° kulmassa vaakatasoon nähden vauhdilla v0 = 37,0 m/s. a) Laske pallon nopeus hetkellä t = 2,00 s. b) Kuinka korkealla pallo käy? c) Kuinka kauas se lentää? d) Laske pallon nopeus sen osuessa taas maahan. (22,2 i + 10,0 j m/s; 44,7 m; 134 m; 22,2 i - 29,6 j m/s) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 18 Yleisesti, kun kappale liikkuu tasossa ja liike on tasaisesti kiihtyvää eli a on vakio, kappaleen nopeutta v ja paikkaa r kuvaavat vektoriyhtälöt v = v0 a t (3.31) ja r = r0 v0 t 1 2 at 2 (3.32) missä v0 on kappaleen alkunopeus ja r0 kappaleen paikka alkuhetkellä t0 = 0. Edellisten vektoriyhtälöiden sijaan voi liikettä tarkastella kahden toisistaan riippumattoman liikkeen summana, joista toinen liike tapahtuu x-akselin suunnassa ja toinen y-akselin suunnassa: a = a x i a y j = vakio ; v = vx i v y j ; r = xi y j ; (3.33) missä v x = v0 x ax t ; v y = v0 y a y t ; (3.34) ja x = x 0 v0 x t 1 a t2 ; 2 x y = y 0 v0 y t 1 a t2 2 y (3.35) 3.5 Suhteellinen liike 3.5.1 Yksiulotteinen tapaus yB yA Kappaleen liikkeen määrittämiseen tarvitaan vertailukoordinaatisto (A), jonka suhteen mittaukset tehdään. Jos toinen havaitsija tarkastelee saman kappaleen liikettä A:n suhteen liikkuvasta koordinaatistosta B, havainnot ovat erilaisia riippuen siitä, mikä on koordinaatistojen nopeus toistensa suhteen. vB/A xA/B xP/B xB/A OA OB P xA, x B xP/A Oletetaan seuraavassa, että koordinaatistojen A ja B xakselit yhtyvät ja B liikkuu A:n suhteen x-akselin suuntaisella vakionopeudella vB/A. Tarkasteluhetkellä liikkuva kappale on pisteessä P ja sen x-koordinaatit ovat Akoordinaatistossa xP/A ja B-koordinaatistossa xP/B. Kuvasta 3.12 saadaan pisteen P koordinaateille yhteys Kuva 3.12: x P / A = xP / B xB / A LUT/Mafy (3.36) Mekaniikan perusteet 19 Derivoimalla tämä yhtälö ajan suhteen saadaan eri koordinaatistoissa mitattujen nopeuksien vP/A ja vP/B välille yhteys v P/A = v P/B v B/A 3.5.2 (3.37) Suhteellinen liike tasossa ja avaruudessa Edellinen tarkastelu voidaan helposti yleistää kolmiulotteiseen tapaukseen. Oletetaan edelleen, että koordinaatistot liikkuvat toistensa suhteen tasaisella x-akselin suuntaisella nopeudella vB/A. Kuvasta 3.13 saadaan pisteen P koordinaattien väliseksi yhteydeksi yB yA rP/A rB/A zB zA P rP/B xB OB xA Kuva 3.13: vP/B v P / A = v P / B v B/ A (3.39) Yhtälöistä (3.37) ja (3.39) nähdään, että nopeusvektoreiden indeksit toteuttavat yhtälön P P B = A B A vB/A Kuva 3.14: (3.38) Kun lauseke derivoidaan ajan suhteen, saadaan nopeuksien välinen yhteys (kuva 3.14) OA vP/A r P / A = r P / B r B/ A vB/A (3.40) Kun yhtälö 3.39 derivoidaan ajan suhteen, nähdään että a P / A=a P / B , eli kummassakin koordinaatistossa mitatut kiihtyvyydet ovat samat, kunhan koordinaatistot liikkuvat vakionopeudella toistensa suhteen. Esimerkki 3.7: Sadepisarat putoavat suoraan alaspäin vakionopeudella. Kun ne osuvat tasaisella maalla nopeudella 50 km/h kulkevan junan ikkunaan, muodostuu vesijuovia, jotka ovat 60° kulmassa pystysuunnan suhteen. Laske pisaroiden nopeus a) maan, b) junan suhteen. (8,0 m/s; 16 m/s) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 20 4 ETENEVÄN LIIKKEEN DYNAMIIKKA 4.1 Johdanto Luvuissa 2 ja 3 tutkittiin kappaleen paikan, nopeuden ja kiihtyvyyden välisiä suhteita. Seuraavaksi tarkastellaan kappaleen dynamiikkaa, ts. kuinka kappaleen liiketila muuttuu siihen vaikuttavien voimien vaikutuksesta. Dynamiikan periaatteet sisältyvät Newtonin liikelakeihin, jotka Sir Isaac Newton (1642 - 1727) esitti. Newtonin lait muodostavat klassisen mekaniikan perustan. 4.2 Voimat ja voimien superpositio Kappaleisiin vaikuttavat voimat voidaan vaikutustapansa puolesta jakaa kahteen ryhmään. Kontaktivoimat R edellyttävät kappaleiden välistä kosketusta. Esimerkkejä F1 tällaisista voimista ovat kappaleiden välisiin törmäyksiin liittyvät voimat sekä liikkuvan kappaleen ja alustan välinen F2 kitkavoima. Toisaalta taas pitkän kantaman voima, kuten kahden kappaleen välinen gravitaatiovoima ja varattujen Kuva 4.1: Kappaleeseen vaikuttavien kappaleiden välinen sähkömagneettinen voima vaikuttaa, vaikka suoraa kontaktia ei olisikaan. voimien resultantti Voimaan F liittyy sekä suuruus, että vaikutussuunta, joten se on vektorisuure. Kun samaan kappaleeseen vaikuttaa useita voimia (kuva 4.1), niiden yhteisvaikutus saadaan selville, kun sovelletaan voimien superpositioperiaatetta: voimien vaikutus kappaleen liiketilaan on sama kuin voiman, joka saadaan, kun lasketaan voimien resultantti (vektorisumma): y R Ry θ Rx R = F1 F 2 x (4.1) Kuva 4.2: Voimien resultantti eli nettovoima on yleensä helpointa laskea, kun se lasketaan komponenteittain. Kun kappaleeseen vaikuttaa voimat F1, F2, ....FN, on voimien resultantti N R = F1 F 2 F N = ∑ F i (4.2) R = Rx i Ry j (4.3) i=1 missä (kuva 4.2) ja LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 21 N N R x = ∑ F ix ; R y = ∑ F iy i=1 (4.4) i =1 Nettovoiman suuruus on R = Rx R y 2 Fy 2 (4.5) ja suunta x-akselin suhteen F tan θ = Fx Ry Rx (4.6) Superpositioperiaatteesta seuraa myös, että kappaleeseen vaikuttava voima F voidaan aina korvata komponenteillaan (kuva 4.3) ja voiman vaikutus saadaan selville, kun tarkastellaan erikseen kummankin komponentin vaikutusta kappaleen liiketilaan. Kuva 4.3: 4.3 Newtonin lait 4.3.1 Newtonin ensimmäinen laki Kappaleen liiketila ei muutu (kappale jatkaa liikettään vakionopeudella tai pysyy paikallaan), jos siihen vaikuttava nettovoima on nolla: N ∑ Fi = 0 (4.7) i=1 Summalausekkeeseen on otettava mukaan kaikki kappaleeseen vaikuttavat ulkoiset voimat. 4.3.2 Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki Jos kappaleeseen vaikuttaa nollasta poikkeava nettovoima, se joutuu kiihtyvään liikkeeseen. Kappaleen (massa m) kiihtyvyys a on suoraan verrannollinen kappaleeseen vaikuttavaan nettovoimaan F: F = ma LUT/Mafy (4.8) Mekaniikan perusteet 22 Voiman yksikkö on [F] = [m][a] = kgm = N (newton). s2 F on kappaleeseen vaikuttavien voimien resultantti: N F = ∑ Fi = F 1 F 2 F N (4.9) i=1 ja kiihtyvyys a on resultanttivektorin F suuntainen. Nytkin yhtälöön (4.9) otetaan mukaan kaikki kappaleeseen vaikuttavat ulkoiset voimat. Huomaa, että yhtälö (4.8) pätee vain, jos massa m on vakio. Luvussa 7 Newtonin toinen laki yleistetään siten, että sitä voidaan soveltaa myös tilanteessa, jossa kappaleen massa muuttuu. Esimerkki 4.1: Hissi (m = 850 kg) liikkuu alaspäin nopeudella 3,0 m/s. Se pysäytetään tasaisesti jarruttaen 2,0 sekunnissa. Kuinka suurella voimalla hissi vaikuttaa vaijeriin jarrutuksen aikana? (9,6 kN) 4.3.3 Massa ja paino Massa m on aineen perusominaisuus ja liittyy kappaleen inertiaan eli hitauteen. Kappaleen paino w on puolestaan maan vetovoimakentän kappaleeseen kohdistama voima: w =mg (4.10) missä g on maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys. Kiihtyvyyden arvo vaihtelee hieman m maapallon eri osissa. Suomessa kiihtyvyydelle voi käyttää arvoa g = 9,82 2 . s 4.3.4 Newtonin kolmas laki eli voiman ja vastavoiman laki Jos kappale 1 vaikuttaa kappaleeseen 2 voimalla F12, niin kappale 2 vaikuttaa kappaleeseen 1 yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla -F12 (kuva 4.4) F21 1 F12 2 F 12 =−F 21 (4.11) Kuva 4.4: Newtonin kolmas laki LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 23 4.4 Esimerkkejä Newtonin lakien käytöstä Newtonin liikelakeihin liittyvien tehtävien ratkaisuperiaate: 1. Aloitetaan piirtämällä tilannekuva. Tilannekuvan perusteella laaditaan kullekin kappaleelle erikseen vapaakappalekuva, jossa näkyvät kaikki kappaleeseen vaikuttavat voimat suuntineen, mutta ei voimia, joilla kappale vaikuttaa ympäristöönsä. Kappaleeseen vaikuttavia voimia ovat mm. maan vetovoima FG = mg ja kosketuksesta muihin kappaleisiin aiheutuvat tukivoimat. Maan vetovoima vaikuttaa kappaleen painopisteeseen ja kappaleiden välisten kosketusvoimien vaikutussuunta on kohtisuorassa kosketuspintaa vastaan. 2. Muodostetaan Newtonin toisen lain mukainen vektoriyhtälö N F = ma; F =∑ F = F 1 F 2 F N i =1 Yhtälö kirjoitetaan erikseen jokaiselle tehtävään liittyvälle kappaleelle. 3. Valitaan jokaiselle kappaleelle xy - koordinaatiston akselien suunnat esimerkiksi siten, että jokainen kappale liikkuu positiivisen x-akselin suuntaan. Kun kappaleet eivät liiku, valitaan koordinaatistot siten, että ainakin yksi voimista on jommankumman koordinaattiakselin suuntainen. Oikealla valinnalla voi joskus ratkaisevasti helpottaa laskentaa. 4. Jaetaan voimat komponentteihinsa valitussa koordinaatistossa: F x = F 1x F 2x F Nx ; F y = F 1y F 2y F Ny ja kirjoitetaan liikeyhtälöt: max = Fx ; may = Fy 5. Ratkaistaan yhtälöt. 6. Tarkistetaan, onko tulos järkevä. 7. Sijoitetaan annetut arvot ja lasketaan tulos. Esimerkki 4.2: Kappale (m = 200 kg) roikkuu 3,0 m pitkässä, massattomassa köydessä. Kappaletta vedetään vaakasuuntaisella voimalla F siten, että köysi muodostaa 10° kulman pystysuoran suhteen. Laske voima F ja köyden jännitys. (350 N; 1990 N) Esimerkki 4.3: Kappaletta (m = 40 kg) työnnetään vaakasuoralla, kitkattomalla alustalla alustan suuntaisella 20 N voimalla. Laske kappaleen kiihtyvyys. (0,5 m/s2) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 24 Esimerkki 4.4: Kolme kappaletta (m1 = 1 kg, m2 = 2 kg ja m3 = 3 kg) on kuvan mukaisesti vaakasuoralla, kitkattomalla alustalla. Kappaleeseen 1 vaikuttaa alustan suuntainen voima F =12 N. Laske voimat, joilla kappaleet vaikuttavat toisiinsa. (F12 = 10 N; F23 = 6 N) F 1 3 2 Esimerkki 4.5: Oheisen kuvan systeemissä kappaleet A ja B on kiinnitetty toisiinsa kevyellä langalla kitkattomasti pyörivän, kevyen pyörän välityksellä. Kappaleen B sisään on lisäksi asetettu kappale C. Systeemi lähtee levosta liikkeelle. Laske a) kappaleen A kiihtyvyys, b) voima, jolla lanka vaikuttaa kappaleeseen B ja c) voima, jolla kappale B vaikuttaa C:hen. Kappaleiden massat ovat: mA = 5,0 kg, mB = 2,0 kg ja mC =1,0 kg. (2,5 m/s2; 37 N; 12 N) B C A 4.5 Kitka Kitkavoima Fμ on kappaleiden välisen kosketuksen aiheuttama vastusvoima, jonka syynä ovat toisiaan koskettavien pintojen atomien väliset voimavaikutukset. Kitkan vaikuttaessa voidaan pinnan kappaleeseen kohdistama voima jakaa kosketuspinnan suuntaiseen (tangentiaaliseen) kitkavoimaan Fμ ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin (normaalivoima N). Kitkavoiman suuruuteen vaikuttaa mm. kosketuspintojen tasaisuus ja pinnan materiaalit. Yleisesti voidaan kuitenkin todeta, että se on verrannollinen normaalivoimaan N ja kohtisuorassa sitä vastaan. Normaalivoiman ja kitkavoiman välinen verrannollisuuskerroin Pinta μs μk on nimeltään kitkakerroin μ. Teflon - teflon 0,74 0,57 Lepokitka Fμs estää kappaleen liikkeelle lähdön, kun siihen vaikuttava voima ei ole riittävän suuri. Lepokitkan suuruus 0,53 0,36 riippuu sen voiman suuruudesta, joka pyrkii saamaan kappaleen liikkeelle: kitkavoima Fμs on aina suunnaltaan ja suuruudeltaan 1,00 0,80 sellainen, että kappale ei liiku. Kappale lähtee liikkeelle, kun liikuttava voima on suurempi kuin lepokitkan suurin 0,04 0,04 mahdollinen arvo: Metalli - metalli (rasv) 0,15 0,06 Teräs - teräs Kupari - teräs Kumi - betoni Taulukko 4.1: Kitkakertoimia LUT/Mafy F s ,max = μ s N (4.12) μs on lepokitkakerroin. Mekaniikan perusteet 25 Kun kappale liikkuu liukuen alustan suhteen, kitkavoima Fμ on liikekitka Fμk: F k = μk N (4.13) ja kitkakerroin μk on liikekitkakerroin. Kitkavoiman suunta on liikesuunnalle vastakkainen. Liikekitkakerroin on aina pienempi kuin lepokitkakerroin. Liike- ja lepokitkakertoimien tyypillisiä arvoja on taulukossa 4.1. Kappaleen vieriessä pitkin pintaa liikettä vastustaa vierintäkitka. Vierintäkitkan suuruutta kuvaa vierintäkitkakerroin μr, joka on yleensä pienempi kuin liikekitkakerroin. Esimerkki 4.6: Kappale (m =1,0 kg) on kaltevalla tasolla. Kappaleen ja pinnan välinen lepokitkakerroin on μs = 0,2, liikekitkakerroin μk = 0,1 ja tason kaltevuuskulma θ = 45°. Kuinka suuri tason suuntainen voima F tarvitaan, jotta kappale F a) lähtee liikkeelle ylöspäin, b) liikkuu ylöspäin tasaisella nopeudella? c) Kuinka suuri lepokitkakerroin tarvitaan, että kappale pysyy paikoillaan ilman voimaa F? (8,3 N; 7,6 N; 1,0) θ 4.6 Luonnon perusvuorovaikutukset Gravitaatio on massaan perustuva kappaleiden välinen vetovoima. Gravitaatio on merkittävä, kun massat ovat suuria. Kahden kappaleen (massat m1 ja m2, massojen välinen etäisyys r) välinen vetovoima on kappaleiden välisen yhdysjanan suuntainen ja suuruudeltaan F =G m1 m2 r 2 (4.14) G on gravitaatiovakio ja suuruudeltaan G = 6,67×10-11 Nm2/kg2. Kumpikin kappale vetää toista kappaletta puoleensa yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla. Lähellä maan pintaa voimaa voidaan pitää vakiona, sen suuruus on F = mg ja suunta kohti maapallon massakeskipistettä. Sähkömagneettinen vuorovaikutus perustuu sähkövaraukseen. Sähkömagneettisella voimalla on kaksi puolta. Kaikkien erimerkkisten varausten välillä on sähköinen vetovoima ja saman merkkisten välillä poistovoima. Sähköinen voima pitää aineen atomit ja molekyylit koossa ja aine saa näkyvän muotonsa sähköisten voimien vaikutuksesta. Myös kappaleiden välisissä kosketuksissa syntyvät kontaktivoimat ovat atomien välisiä sähköisiä voimia. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen toinen puoli on magneettinen voima, joka havaitaan varausten ollessa liikkeessä. Vahva ydinvoima puolestaan pitää atomiytimet koossa ja heikko ydinvoima liittyy ydinten radioaktiivisuuteen. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 26 5 TYÖ JA LIIKE-ENERGIA 5.1 Johdanto Kun kappaleen alkutila (paikka ja nopeus hetkellä t = 0) sekä kappaleeseen vaikuttavat voimat tunnetaan, Newtonin lakien avulla voidaan (ainakin periaatteessa) selvittää kappaleen liiketila mielivaltaisen tarkasti millä tahansa hetkellä. Mikäli ei ole tarpeen seurata kappaleen liikeradan muutoksia ajan funktiona, voidaan kappaleen liiketila usein selvittää helpommin, kun tarkastellaan kappaleeseen vaikuttavien voimien tekemää työtä ja kappaleen liike-energian muutoksia. Näitä suureita yhdistää työ - energia - periaate, jonka mukaan työ, jonka voimat tekevät kappaleeseen, muuttuu sen liike-energiaksi. 5.2 Työ F F Määritellään aluksi työ. Kun kappaleeseen vaikuttaa liikkeen suuntainen vakiovoima F, se tekee matkalla s työn W (kuva 5.1): W =F s s (5.1) Kuva 5.1: Työn yksikkö on [W ]= Nm= F F θ θ Fs Fs s Kuva 5.2: kgm2 = J = joule . s2 Jos voima ei ole liikkeen suuntainen (kuva 5.2), työn kannalta olennainen on voiman komponentti Fs siirtymän s suunnassa: W = F s s = F s cos θ = F⋅s (5.2) Jälkimmäinen muoto seuraa vektorien pistetulon määritelmästä D.20. Jos kappaleeseen vaikuttava voima on kohtisuorassa siirtymää vastaan eli F ⊥ s, yhtälöstä 5.2 nähdään, että voima F ei tee työtä, W = 0. Lisäksi, jos θ > 90° , eli voiman suunta on sellainen, että se on ainakin osittain liikesuunnalle vastakkainen, voiman tekemä työ W < 0. Esimerkki 5.1: Kappale (m =1,0 kg) on kaltevalla tasolla. Kappaleen ja pinnan välinen lepokitkakerroin μs = 0,2, liikekitkakerroin μk = 0,1 ja tason kaltevuuskulma θ = 45° (Esimerkki 4.6). Laske kappaleeseen vaikuttavien voimien tekemät työt, kun kappale liikkuu vakionopeudella ylöspäin 1 metrin. (Fμ: -0,7 J; N: 0 J; FG: -6,9 J; F: 7,6 J) LUT/Mafy F θ Mekaniikan perusteet 27 5.3 Työ-energia-periaate Kun kappaleeseen vaikuttaa vakiovoima F, se joutuu tasaisesti kiihtyvään liikkeeseen. Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että voima on siirtymän suuntainen, F↑↑ s (ellei näin ole, käytetään siirtymän suuntaista komponenttia Fs). Olkoon kappaleen alkunopeus v0. Matkalla s voima F tekee työn W = Fs = ma⋅s = m⋅as = 1 1 2 2 mv − m v 0 2 2 (5.3) Tulos seuraa siitä, että kappaleen nopeuden ja kuljetun matkan välinen yhteys tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä on yhtälön (2.15) mukaan v 2 = v 20 2 a s . Kun määritellään kappaleen kineettinen eli liike-energia Ek yhtälöllä Ek = 1 m v2 2 (5.4) on saatu tulos työ-energia-periaate: resultanttivoiman F kappaleeseen tekemä työ on yhtä suuri kuin kappaleen liike-energian muutos: W = Δ Ek (5.5) Esimerkki 5.2: Esimerkin Virhe: Viitteen lähdettä ei löydy kappaletta vedetään levosta lähtien 8,3 N voimalla 1 metrin matka. Laske loppunopeus. (1,2 m/s) 5.4 Työ muuttuville voimille Jos kappaleeseen vaikuttavan voiman F siirtymän x suuntainen komponentti Fx ei ole vakio (kuva 5.3), työ voidaan laskea integroiden. Kun tarkastellaan voiman tekemää työtä lyhyellä matkalla Δx, on voima hetkellisesti vakiovoima ja tehty työ W = Fx Δx. Kun siirrytään koko matka alkupisteestä x1 loppupisteeseen x2 on tehty työ Fx Fxn W = F x1 Δx 1 F x2 Δx 2 F xn Δx n x1 Δxn x2 (5.6) x Kuva 5.3: Paikan funktiona muuttuva Kun annetaan matkan Δx → 0, saadaan tehdylle työlle voima LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 28 lauseke x2 W = ∫ F dx (5.7) x1 5.4.1 Harmoninen voima Kun jousi on lepotilassa, tarvitaan ulkoinen voima sen venyttämiseksi tai puristamiseksi kokoon. Tarvittava voima F on suoraan verrannollinen tasapainoasemasta mitatun poikkeaman x suuruuteen: F = kx F F= kx kx (5.8) k on verrannollisuuskerroin, jousivakio. Newtonin 3. laista seuraa, että jousi itse pyrkii palauttamaan tasapainotilan yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla: W = 1/2kx2 F = −kx (5.9) x x Kuva 5.4: Jousta venytettäessä tehty työ Voima, jota voidaan kuvata yhtälöllä (5.9) on harmoninen voima ja yhtälö tunnetaan nimellä Hooke´n laki. Jousivoiman lisäksi esimerkiksi kiinteiden kappaleiden pieniin muodonmuutoksiin liittyvät voimat ovat usein harmonisia. Jousen venyttämiseksi tasapainoasemasta tehty työ voidaan laskea integroiden yhtälön (5.7) mukaisesti. Kun jousta venytetään matka x tasapainoasemasta, on tehty työ (kuva 5.4): x x W = ∫ Fdx = ∫ kxdx = 0 5.4.2 0 1 2 kx 2 (5.10) Työn laskeminen yleisesti 2 F Fn θ 1 Kuva 5.5: LUT/Mafy ds Jos kappale liikkuu kuva 5.5 mukaisesti pitkin mielivaltaista rataa pisteestä 1 pisteeseen 2, voidaan kappaleeseen vaikuttavan voiman F tällä matkalla tekemä työ laskea seuraavasti. Matkalla ds työtä tekee siirtymän suuntainen voiman komponentti Ft : Ft dW = F t ds = F cos θ ds = F⋅d s (5.11) Koko matkalla tehty työ W on siten Mekaniikan perusteet 29 2 2 W = ∫ F t ds = ∫ F⋅d s 1 (5.12) 1 Kohdassa 5.3 johdettu työ-energia-periaate (5.5) pätee yleisesti, kun voiman tekemä työ lasketaan yhtälöstä (5.12). 5.5 Teho Työn määritelmä ei ota millään tavoin kantaa siihen, kuinka nopeasti se tehdään. Työn tekemiseen käytetyllä ajalla on kuitenkin usein ratkaiseva merkitys. Voiman teholla P tarkoitetaan aikayksikössä tehtyä työtä. Kun ajassa Δt tehdään työ ΔW, on keskimääräinen teho Pk Pk = W t (5.13) Kun annetaan ajan Δt → 0, saadaan voiman F (hetkellinen) teho P: P= dW dt (5.14) J Jos työtä tehdään vakioteholla, P = Pk. Tehon yksikkö on [ P ]= =W watti . s 5.5.1 Teho ja nopeus Tarkastellaan kuvan 5.5 kappaletta, joka liikkuu pitkin mielivaltaista rataa. Jos kappaleen ratanopeus on v, se liikkuu ajassa dt matkan ds = vdt. Tänä aikana siihen vaikuttava voima F tekee ds työn dW = Ft ds. Nyt saadaan hetkellisen tehon ja kappaleen ratanopeuden v = välille yhteys: dt P= dW ds = Ft = Ft v dt dt (5.15) Koska kuvan 5.5 mukaan Ft = F cos θ, voidaan yhtälö (5.15) kirjoittaa myös voiman F ja nopeuden v pistetulona P = F⋅v LUT/Mafy (5.16) Mekaniikan perusteet 30 Esimerkki 5.3: Auto (massa 1200 kg) rullaa vapaalla alas mäkeä tasaisella nopeudella 18 m/s. Kuinka suuri moottoriteho tarvitaan, jotta auto nousisi samaa mäkeä ylös samalla nopeudella? Mäen kaltevuus on 1:20. (21 kW) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 31 6 POTENTIAALIENERGIA, ENERGIAN SÄILYMINEN 6.1 Johdanto Edellisessä luvussa kappaleiden energianmuutoksia tarkasteltiin työ - energia - periaatteen avulla. Toinen käyttökelpoinen tarkastelutapa saadaan, kun otetaan käyttöön potentiaalienergia, jolla tarkoitetaan kappaleen asemaan perustuvaa energiaa. Potentiaalienergia voidaan määritellä vain ns. konservatiivisille voimille, joista tässä käsitellään gravitaatiovoima ja harmoninen voima. Potentiaalienergian käsitteen avulla työ-energia-periaatteesta voidaan johtaa mekaanisen kokonaisenergian säilymislaki, jonka mukaan konservatiivisten voimien vaikuttaessa kappaleen liike-energian ja potentiaalienergian summa säilyy vakiona. Mekaanisen kokonaisenergian säilymislaki voidaan yleistää koskemaan muitakin kuin konservatiivisia voimia. Yleinen energian säilymislaki on tärkeimpiä fysiikan periaatteita. 6.2 Painovoimakentän potentiaalienergia Kun kuvan 6.1 kappale putoaa painovoimakentässä korkeudelta y1 korkeudelle y2 matkan s = y1 y2, tekee painovoimakenttä työn W = Fs = mg y 1 − y 2 (6.1) Määritellään gravitaatiopotentiaalienergia Ep: y1 E p = mgy (6.2) y2 W = mg Kuva 6.1: Painovoimakentän tekemä työ Matkalla s potentiaalienergian muutos on Δ Ep = Ep2 – Ep1 , joten yhtälöstä 6.1 nähdään, että painovoimakentän tekemä työ on W g = E p1 − E p2 = − ΔE p y y1 Osoitetaan seuraavaksi, että painovoimakentässä potentiaalienergian muutos on riippumaton tiestä. Oletetaan, että kappale liikkuu painovoiman vaikutuksesta kuvan 6.2 mielivaltaista reittiä korkeudelta y1 korkeudelle y2. Kuvan koordinaatistossa painovoimaa kuvaa vektori Δx Δy (6.3) Δs w= -mg y2 w = −mg j x (6.4) Kuva 6.2: LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 32 Kun kappale siirtyy matkan s = x i y j , tekee painovoima tällä matkalla työn w⋅ s = − m g j⋅ x i y j = − m g y (6.5) ja koko matkalla tehty työ on W g = mg ( y 1 − y 2 ) = E p1 − E p2 (6.6) Työ riippuu siis vain alku- ja loppupisteiden välisestä korkeuserosta ja on riippumaton siitä, mitä reittiä kuljettiin. Huomaa, että painovoimakentässä potentiaalienergian nollakohta on vapaasti valittavissa, koska vain potentiaalienergian muutoksilla on merkitystä. 6.3 Harmonisen voiman (jousen) potentiaalienergia Kun kuvan 3.8 jousta venytetään poikkeamasta x = x1 poikkeamaan x = x2 tehdään työtä: x2 x1 F x2 W = ∫ kx dx = x1 1 2 1 2 kx − kx 2 2 2 1 (6.7) Kuva 6.3: Jos jousi on aluksi levossa (x1 = 0) ja merkitään x2 = x, on tehty työ U W= 1 1 k x 22 − x21 = kx 2 2 2 (6.8) Määritellään jousen potentiaalienergia Ep (kuva 6.4): x Kuva 6.4: Harmonisen voiman potentiaalienergiafunktio Ep = 1 2 kx 2 (6.9) Huomaa, että harmonisen voiman potentiaalienergian nollakohta on aina x = 0! Jousen tekemä työ siirroksessa x1 → x2 on yhtälöiden (6.7) ja (6.9) mukaan W el = − W = LUT/Mafy 1 2 1 2 kx − kx = E p1 − E p2 = − ΔE p 2 1 2 2 (6.10) Mekaniikan perusteet 33 6.4 Mekaanisen energian säilyminen Kun kappale putoaa korkeudelta y1 alkunopeudella v1 korkeudelle y2, jolloin se saavuttaa loppunopeuden v2, on painovoimakentän tekemä työ yhtälön (6.3) mukaisesti Wg = Ep1 – Ep2 = - Δ Ep . Toisaalta työ-energia-periaatteen (5.5) mukaan kappaleeseen tehty työ on yhtä suuri kuin kappaleen kineettisen energian muutos: W g = E k 2 − E k1 = ΔE k (6.11) Yhtälöistä (6.3) ja (6.11) seuraa, että Δ Ek = - ΔEp , eli E k 2 − E k 1 = −( E p2 − E p1 ) (6.12) Kun järjestellään termejä, saadaan E k 1 + E p1 = E k 2 + E p2 (6.13) joka voidaan kirjoittaa kineettisen ja potentiaalienergian lausekkeiden avulla muotoon 1 2 1 mv 1 mgy 1 = mv 22 mgy 2 2 2 (6.14) Kappaleen mekaaninen kokonaisenergia E on potentiaali- ja kineettisen energian summa: E = Ek + E p (6.15) Yhtälön (6.13) mukaan mekaaninen kokonaisenergia säilyy gravitaatiokentässä. Esimerkki 6.1: Oheisen kuvan mukainen systeemi (mA = 15 kg, mB = 6,0 kg, h = 2,0 m) lähtee levosta liikkeelle. Pyörän ja kiinnityslangan massat sekä kitka voidaan jättää huomiotta. Laske a) millä vauhdilla kappale A osuu lattiaan ja A b) kuinka korkealla kappale B nousee, ennen kuin sen liikesuunta vaihtuu. ( 4,1 m/s; 2,9 m ) h B LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 34 Mekaanisen energian säilymislaki pätee myös harmoniselle voimalle. Koska työ-energia-periaatteen mukaan Wel = ΔEk , on yhtälön (6.10) mukaan ΔEk = -ΔEp , saadaan E k 1 + E p1 = E k 2 + E p2 (6.16) Jos kappaleeseen vaikuttaa myös muita voimia Fmuut , ne tekevät em. siirroksessa työn Wmuut. Soveltaen työ-energia-periaatetta voidaan kirjoittaa W + W muut = ΔE k (6.17) missä W on konservatiivisen voiman tekemä työ. Tästä saadaan edelleen yhtälön (6.3) mukaan E p1 − E p2 + W muut = E k 2 − E k 1 (6.18) Termejä järjestelemällä saadaan lopuksi E k 1 + E p1 + W muut = E k 2 + E p2 (6.19) Toisin sanoen: muiden voimien kuin konservatiivisten voimien tekemä työ on yhtä suuri kuin kappaleen kokonaisenergian muutos, Wmuut=DE. Esimerkki 6.2: Hissin (massa 2000 kg) vaijerin katketessa pysähdystä vaimennetaan kuilun pohjalle asennetun jousen avulla. Se pysäyttää hissin 3,0 metrin matkalla, kun hissi törmää jouseen nopeudella 25 m/s. Laske jousen jousivakio. Oletetaan, että hissin vaikuttaa painovoiman lisäksi myös 17000 N suuruinen kitkavoima. (141 kN/m) 6.5 Konservatiiviset ja ei-konservatiiviset voimat Jos voima on konservatiivinen, pisteestä A pisteeseen B kuljettaessa tehty työ ei riipu siitä, mitä tietä pisteestä toiseen kuljetaan. Tästä seuraa: 1. Voimalla on vain paikasta riippuva potentiaalienergiafunktio Ep: W = − ΔE p (6.20) missä W tarkoittaa konservatiivisen voiman tekemää työtä. 2. Voiman tekemä työ on reversiibeli eli työ on muutettavissa potentiaalienergiaksi ja päinvastoin häviöittä. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 35 3. Kun tien alkupiste ja päätepiste yhtyvät, on konservatiivisen voiman tekemä työ nolla. Mekaniikan kurssilla käsiteltävistä voimista konservatiivisia voimia ovat painovoima ja harmoninen voima. Muut voimat, esimerkiksi kitkavoima, ovat ei-konservatiivisia voimia. Ei- konservatiiviselle voimalle ei voi määritellä potentiaalienergiaa, mutta sen tekemä työ Wmuut muuttaa kappaleen sisäistä energiaa Uint (kitkalämpö): ΔU int = −W muut (6.21) 6.6 Energian säilymislaki Kun otetaan mukaan kappaleen sisäinen energia (6.21), voidaan yhtälössä (6.19) esitetty energian säilymislaki kirjoittaa muotoon E k 1 + E p1 − ΔU int = E k 2 + E p2 (6.22) Tämä voidaan kirjoittaa myös muotoon: ΔE k + ΔE p + ΔU int = 0 (6.23) Kappaleen kineettisen energian, potentiaalienergian ja sisäisen energian muutosten summa on nolla. Energian säilymislaki on erittäin käyttökelpoinen periaate useita tehtäviä ratkaistaessa. 6.7 Voiman ja potentiaalienergian yhteys Kun konservatiivinen voima F tunnetaan, sille voidaan määritellä potentiaalienergiafunktio Ep. Kääntäen, potentiaalienergiafunktion avulla voidaan määrätä kappaleeseen vaikuttava voima. Annetaan voiman F siirtää kappaletta x-akselin suunnassa matka Δx. Siirroksessa voima tekee työn W: W = Fx Δx =− Δ Ep (6.24) missä Fx on voiman F x-akselin suuntainen komponentti. Yhtälöstä (6.24) seuraa, että voiman xakselin suuntainen komponentti on Fx =− ΔEp Δx (6.25) Kun annetaan siirroksen Δx lähestyä nollaa, lähestyy yhtälön oikea puoli potentiaalifunktion derivaattaa x:n suhteen: LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 36 Fx =− d Ep dx (6.26) Vastaavalla tavalla voidaan johtaa potentiaalifunktion ja voiman y- ja z- akselin suuntaisten komponenttien välinen yhteys, kun siirtymä on y- ja z-akselien suuntainen: ∂Ep ; ∂x Fx =− ∂ Ep ; ∂y F y =− Fz =− ∂Ep ∂z (6.27) Kappaleeseen vaikuttavan voiman komponentit saadaan, kun lasketaan potentiaalifunktion osittaisderivaatat x:n, y:n ja z:n suhteen. Kappaleeseen vaikuttava voima F on siis F = Fx i + F y j + Fz k =− ( ∂Ep ∂Ep ∂ Ep i+ j+ k ∂x ∂y ∂z ) (6.28) Voima on potentiaalin negatiivinen gradientti: F =− ∇ E p (6.29) missä gradienttioperaattori ∇ (nabla) on ∇= ∂ i+ ∂ j+ ∂ k ∂x ∂y ∂z 6.7.1 (6.30) Tasapainotilat Ep(x) F2 x1 x2 F4 x3 x4 x5 Kuva 6.5: Potentiaalienergiafunktio x Kuvassa 6.5 on kuvattu kappaleen potentiaalienergiafunktio Ep(x). Koska voima on yhtälön 6.26 mukaan potentiaalifunktion negatiivinen derivaatta, antaa potentiaalifunktiolle piirretyn tangentin kulmakertoimen vastaluku kappaleeseen vaikuttavan voiman suunnan ja suuruuden. Kuvan pisteessä x2 kappaleeseen vaikuttava voima suuntautuu positiivisen x-akselin suuntaa (koska tangentin kulmakerroin tässä pisteessä on < 0) ja vastaavasti pisteessä x4 voima vaikuttaa kohti negatiivista xakselia. Erityisasemassa ovat potentiaalifunktion ääriarvopisteet, koska niissä funktion derivaatta on nolla, eikä kappaleeseen siten vaikuta voimaa. Ts. potentiaalifunktion ääriarvopisteissä kappale on tasapainotilassa. Potentiaalienergiafunktion minimi (x3) on stabiili tasapainotila, koska minimin ympäristössä voima on kohti minimiä. Vastaavasti maksimi (x1, x5) on epästabiili tasapainotila, koska maksimin ympäristössä voima on maksimista poispäin. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 37 7 MONEN KAPPALEEN SYSTEEMIT 7.1 Johdanto Todellisuudessa kaikki kappaleet koostuvat suuresta joukosta hiukkasia ja usein tarkastelun kohteena ovat hiukkasjoukot. Edellisissä luvuissa tarkasteltiin yksittäisen kappaleen etenevää liikettä ja todettiin, että kappaletta voidaan pitää pistemäisenä, jos sen koko massa sijoitetaan massakeskipisteeseen eli painopisteeseen. Massakeskipisteen liike on tärkeä myös monen kappaleen systeemeissä. Lisäksi on tarpeen määritellä muutama uusi käsite. Kun kappaleeseen vaikuttaa nettovoima, se muuttaa kappaleen liiketilaa. Muutoksen suuruus riippuu paitsi voiman suuruudesta, myös voiman vaikutusajasta. Molemmat tekijät sisältyvät voiman impulssin käsitteeseen. Voiman aiheuttamaa liiketilan muutosta puolestaan kuvaa kappaleen liikemäärän muutos. Liikemäärän säilymislaki tarjoaa keinon kappaleiden välisten törmäysten käsittelyyn. 7.2 Massakeskipiste Massakeskipisteen paikka saadaan selville, kun edellytetään, että vaikuttava voima tuottaa pistemäiselle massalle saman kiihtyvyyden kuin alkuperäiselle kappaleelle. Oletetaan, että voima F antaa kappaleelle (massa m) kiihtyvyyden on a: F=m a . Jaetaan kappale massa-alkioihin mi. Jokaiseen massa-alkioon vaikuttaa kokonaisvoimasta osa Fi, joka antaa osaselle saman kiihtyvyyden kuin koko kappaleelle. Kun osasen paikkaa kuvaa paikkavektori ri, on Newtonin toisen lain mukaan d2 d2 F i =mi a=mi 2 r i = 2 mi r i dt dt (7.1) Kun lasketaan yhteen kaikki osasia kuvaavat yhtälöt, saadaan tulokseksi N N N F =∑ F i =∑ i=1 i=1 d2 d2 m r = i i dt 2 dt 2 N ∑ mi r i i=1 =m d2 dt 2 ∑ mi r i i=1 (7.2) m Kun määritellään massakeskipisteen paikka rmkp yhtälöllä N ∑ mi r i r mkp= i=1 (7.3) m voidaan yhtälö (7.2) kirjoittaa LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 38 ( ) N d2 F =m 2 dt ∑ mi r i i=1 m =m d 2 r mkp dt 2 (7.4) =m a mkp Toisin sanoen, kappaleen koko massa voidaan keskittää massakeskipisteeseen rmkp ja koko kappaleen kiihtyvyys a on sama kuin massakeskipisteen kiihtyvyys amkp. Suorakulmaisessa koordinaatistossa painopisteen x-, y- ja z- koordinaatit ovat (7.3): ∑ mi x i x mkp = i m ∑ mi y i y mkp = i m ∑ mi zi z mkp = (7.5) i m (7.6) (7.7) Painopisteen laskemisesta helpottaa, jos kappale on jaettavissa säännöllisiin osiin mi, joiden painopiste (xi, yi, zi) on helposti nähtävissä. Koko kappaleen painopiste saadaan silloin osien painopisteiden massoilla painotettuna keskiarvona yhtälöistä (7.5) - (7.7) Mielivaltaisen kappaleen painopisteen laskemiseksi se jaetaan pieniin massa-alkioihin dm, joihin sovelletaan yllä kuvattua menettelyä. Nyt painopisteen koordinaatit saadaan integroiden yli kappaleen tilavuuden V: ∫ x dm x mkp = V ∫ y dm y mkp = V LUT/Mafy (7.9) m ∫ z dm z mkp = (7.8) m V (7.10) m Mekaniikan perusteet 39 Esimerkki 7.1: Määritä oheisen tasapaksun aukollisen kappaleen painopisteen sijainti. (vaakasuunnassa 6,5 m, pystysuunnassa 3,3 m vasemmasta alakulmasta) 1,0 m 4,0 m 2,0 m 2,0 m 5,0 m 5,0 m 7.3 Kappaleen liikemäärä ja voiman impulssi Kun kappaleeseen vaikuttaa resultanttivoima F, se joutuu kiihtyvään liikkeeseen. Newtonin toisen lain mukaan F = ∑ Fi = m a (7.11) i Jos kappaleen massa m on vakio, voidaan kirjoittaa: F = ma = m dv d = mv dt dt (7.12) Määritellään kappaleen liikemäärä p kappaleen massan m ja nopeuden v tulona: p = mv (7.13) kgm = Ns . Liikemäärävektorin suunta on sama kuin nopeusvektorin. s Newtonin toinen laki (yhtälö 7.12) voidaan siis kirjoittaa muotoon Liikemäärän yksikkö on [ p ]= F= dp dt (7.14) Kappaleeseen vaikuttava nettovoima on yhtä suuri kuin kappaleen liikemäärän muutosnopeus. Tässä muodossa Newtonin toinen laki pätee myös siinä tapauksessa, että kappaleen massa muuttuu. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 40 Esimerkki 7.2: Paloletku ruiskuttaa vettä 45 kg/s. Suihku osuu kohtisuorasti pystysuorassa olevaan ikkunalasiin nopeudella 32 m/s. Laske suihkun ikkunaan kohdistama voima. (1400 N) Kappaleeseen kohdistuvan nettovoiman F vaikutus kappaleeseen riippuu sekä voiman suuruudesta että voiman vaikutusajasta Δt. Vaikutusta kuvaa voiman impulssi I: I = F Δt (7.15) kgm ja sen suunta on sama kuin voiman suunta. s Oletetaan, että kappaleeseen, jonka massa on m, vaikuttaa vakiovoima F ajan Δt = t2 - t1. Voiman vaikutuksesta kappaleen liikemäärä muuttuu määrällä Δp = p2 - p1 . Koska voima on vakiovoima, voidaan yhtälö (7.14) kirjoittaa muotoon Voiman impulssin yksikkö on [ I ]= Ns= F F= p 2 − p1 p = t t (7.16) missä p1 on liikemäärä hetkellä t1 ja p2 liikemäärä hetkellä t2. Kun kerrotaan yhtälö (7.16) puolittain Δt:llä, saadaan F t = p2 − p1 , joten Fk t1 t2 t I = p 2 − p1 (7.17) Kuva 7.1: Kappaleeseen kohdistuvan voiman impulssi on yhtä suuri kuin kappaleen liikemäärän muutos. Kappaleeseen vaikuttava voima ei ole yleensä vakiovoima, vaan muuttuu vaikutusajan kuluessa (kuva 7.1). Tällöin voiman vaikutus kappaleen liiketilaan voidaan arvioida, kun korvataan muuttuva voima sen keskimääräisellä arvolla Fk ko. aikana ja sovelletaan yhtälöä (7.15). Esimerkki 7.3: Pallo (m = 150 g) osuu vaakasuoralla nopeudella 24,0 m/s mailaan, joka antaa sille vastakkaissuuntaisen nopeuden 36,0 m/s. Kuinka suuri on mailan palloon kohdistama voima, kun se vaikuttaa palloon 0,0020 s? (4,5 kN) Esimerkki 7.4: Pallo (m = 100 g) vierii vaakasuoralla alustalla nopeudella v0 = 4,0 m/s. Eräällä hetkellä siihen vaikuttaa 10 ms ajan voima, jonka jälkeen pallon nopeus on v1 = 5,0 m/s ja suunta kuvan mukainen. Mikä oli kappaleeseen vaikuttava voima? (74,5 i + 35,4 j N) LUT/Mafy v1 θ = 45° v0Mekaniikan perusteet 41 Voiman impulssi voidaan laskea tarkasti integroiden, jos voiman suuruus ajan funktiona tunnetaan (kuva 7.1). Jos voiman vaikutus alkaa hetkellä t1 ja päättyy hetkellä t2, on voiman impulssi t2 I = ∫ F dt (7.18) t1 Impulssi vastaa F(t)- käyrän ja t-akselin välistä pinta-alaa. 7.4 Liikemäärän säilyminen Tarkastellaan liikkuvien kappaleiden muodostamaa systeemiä. Oletetaan, että systeemi on eristetty, ts. siihen ei vaikuta systeemin ulkopuolisia voimia tai vaikuttavien voimien resultantti on nolla. Tällöin kappaleiden väliset voimavaikutukset johtuvat yksinomaan kappaleiden välisistä, systeemin sisäisistä voimista. Oletetaan, että edellä mainitun systeemin muodostaa kaksi kappaletta, A ja B. Kun kappale A vaikuttaa kappaleeseen B voimalla FAB, Newtonin kolmannen lain mukaan kappale B vaikuttaa A:han yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla: F BA=−F AB (7.19) Tästä seuraa, että systeemin sisäisten voimien summa on nolla. Kun käytetään hyväksi Newtonin toista lakia (7.14), saadaan F BA F AB = d p A d pB d = pA pB = 0 dt dt dt (7.20) Systeemiin kuuluvien kappaleiden kokonaisliikemäärä pysyy siis vakiona, vaikka yksittäisten kappaleiden liikemäärät voivatkin vaihdella. Kun merkitään systeemin kokonaisliikemäärä p kok = p A + p B (7.21) saadaan yhtälöstä 7.20 liikemäärän säilymislaki: d p kok =0 dt (7.22) Jos systeemiin ei vaikuta ulkoisia voimia, tai niiden resultantti on nolla, systeemin kokonaisliikemäärä on vakio. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 42 Tulos on riippumaton systeemiin kuuluvien kappaleiden määrästä, koska kappaleet vaikuttavat toisiinsa pareittain. Koska kullekin parille on voimassa yhtälö 7.22, se pätee myös mielivaltaiselle kappalemäärälle. Jos systeemissä on N kappaletta, kokonaisliikemäärä on N p kok = ∑ pi = p1 + p 2 + ... + p N = m 1 v 1 + m1 v 2 + ... + mN v N (7.23) i=1 Muokataan hiukan yhtälöä (7.23). Jos hiukkasten kokonaismassa on M , saadaan N N p kok = ∑ mi v i = ∑ i=1 i=1 d d (mi r i ) = M dt dt ( N ∑ mi r i i=1 M ) =M d r mkp = M v mkp dt (7.24) Jos siis systeemiin ei vaikuta ulkoisia voimia on yhtälön (7.22) mukaan kokonaisliikemäärä vakio, joka tarkoittaa yhtälön (7.24) mukaan sitä, että massakeskipisteen nopeus on vakio. Jos siis kappale esimerkiksi hajoaa tai muuttaa muotoaan sisäisten voimien vaikutuksesta, se ei vaikuta massakeskipisteen liikkeeseen. Esimerkki 7.5: 238U- ydin hajoaa radioaktiivisesti 234Th-ytimeksi lähettämällä α - hiukkasen (4Heydin). Laske 234Th-ytimen nopeus hajoamisen jälkeen, kun α - hiukkasen nopeudeksi mitataan 1,4×106 m/s. Oletetaan, että uraaniydin on levossa ennen hajoamistaan. mα : mTh : mU = 4:234:238 (24×103 m/s) Esimerkki 7.6: Kaksi miestä (kummankin massa 70 kg) istuu 5 m päässä toisistaan pitkällä lankulla, jonka massa on ml = 20 kg. Lankku on märällä jäällä, jota voidaan pitää kitkattomana pintana. Toisella miehistä on pallo (mp = 5,0 kg), jonka hän heittää kumppanilleen nopeudella 4,0 m/s jäähän nähden. Mikä on lankun nopeus, kun pallo on ilmassa? Mikä on lankun nopeus, kun toinen on ottanut pallon kiinni? (0,12 m/s; 0,0 m/s) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 43 7.5 Hiukkassysteemin liike-energia Edellä todettiin, että systeemin liikemäärä on yhtä suuri kuin massakeskipisteen nopeudella liikkuvan samamassaisen pistemäisen kappaleen liikemäärä. Kun tarkastellaan saman systeemin liike-energiaa, tilanne on toinen. Jaetaan kuvan 7.2 kappale (massa M) osasiin mi, joista kukin liikkuu nopeudella vi. Kun kappaleen massakeskipisteeseen kiinnitetään nopeudella vmkp liikkuva koordinaatisto, voidaan yhtälön (3.39) mukaan kirjoittaa y rmkp mkp ri/mkp mi ri x Kuva 7.2: v i =v mkp +v i / mkp (7.25) Kunkin osasen liike-energia on 1 1 K i = mi vi2= mi v i⋅v i 2 2 (7.26) Kun sijoitetaan tähän (7.25) saadaan tulokseksi 1 1 K i = mi (v mkp +v i / mkp )⋅(v mkp +v i / mkp )= mi (v 2mkp +2 v mkp⋅v i / mkp+vi2/ mkp ) 2 2 (7.27) Lasketaan kaikkien osasten liike-energiat yhteen: K =∑ K i = i 1 1 (mi v 2mkp )+∑ (mi v mkp⋅v i / mkp )+ ∑ (mi v i2/mkp ) ∑ 2 i 2 i i (7.28) Summalausekkeen ensimmäinen termi on massakeskipisteen nopeudella etenevän kappaleen liike1 1 2 2 energia: ∑ mi v mkp= M v mkp . Summalausekkeen viimeinen termi kuvaa liike-energiaa, joka 2 i 2 johtuu osasten liikkeestä massakeskipisteen suhteen. Keskimmäisen termin arvo on nolla, koska summalauseke sisältää kappaleen liikemäärän (7.24) mitattuna massakeskipisteen mukana liikkuvassa koordinaatistossa: ∑ (mi v mkp⋅v i /mkp )=v mkp⋅ ∑ mi v i / mkp =v mkp⋅M v mkp /mkp =0 . i ( i ) Kappaleen liike-energia koostuu siis kahdesta osasta, massakeskipisteen etenevän liikkeen liikeenergiasta ja liike-energiasta, joka johtuu kappaleen osasten liikkeestä massakeskipisteen suhteen: 1 1 K = M v 2mkp + ∑ (mi v i2/ mkp ) 2 2 i LUT/Mafy (7.29) Mekaniikan perusteet 44 7.6 Törmäykset Kahden kappaleen törmäys tarkoittaa sellaista kappaleiden välistä vuorovaikutusta, jossa kappaleiden väliset voimat ovat paljon suurempia kuin muut kappaleisiin mahdollisesti vaikuttavat voimat. Tästä seuraa, että kappaleiden muodostamaa systeemiä voidaan törmäyshetkellä pitää eristettynä ja siten systeemin liikemäärä säilyy. Törmäyksen yhteydessä kappaleiden liikesuunnat ja nopeudet muuttuvat, joten sekä kappaleiden liikemäärät että liike-energiat jakautuvat kappaleiden kesken uudella tavalla. Tämä jako riippuu tietenkin kappaleiden massoista, nopeuksista ja liikesuunnista ennen törmäystä, mutta myös siitä, millaiset voimat törmäyksen yhteydessä vaikuttavat. Tällä perusteella törmäykset voidaan luokitella kolmeen ryhmään: kimmoiset, osittain kimmoiset ja kimmottomat törmäykset. Kimmoisa törmäys tapahtuu, jos kappaleiden väliset voimat törmäyshetkellä ovat konservatiivisia, ts. törmäykseen ei liity kitkavoimia eikä kappaleiden pysyviä muodonmuutoksia. Koska vaikuttavat voimat ovat konservatiivisia, kokonaisenergia säilyy törmäyksessä. Kappaleiden potentiaalienergiat ennen törmäystä ja välittömästi sen jälkeen ovat samat, joten systeemin liike-energia säilyy. Osittain kimmoisa törmäys tapahtuu, jos törmäyksessä on mukana ei- konservatiivisia voimia. Tästä seuraa, että systeemin liike-energia ei säily, vaikka liikemäärä säilyykin. Täysin kimmottomassa törmäyksessä törmäävät kappaleet takertuvat toisiinsa. Nytkään ei liike-energia säily. Ennen kuin käsitellään törmäyksiä tarkemmin sovitaan merkinnöistä: mA, mB = kappaleiden massat vA1, vB1 = kappaleiden nopeudet ennen törmäystä vA2, vB2 = kappaleiden nopeudet törmäyksen jälkeen. 7.6.1 Kimmoton törmäys Kimmottomassa törmäyksessä kappaleet takertuvat toisiinsa ja liikkuvat törmäyksen jälkeen yhteisellä nopeudella vA2 = vB2 = v . Törmäyksessä liike-energia ei säily, mutta liikemäärä säilyy: m A v A1 mB v B1 = m A mB v (7.30) Kun kappaleiden liikesuunnat ennen törmäystä tunnetaan, yhtälö määrää kappaleiden yhteisen loppunopeuden yksikäsitteisesti. Mikäli kappaleiden massakeskipisteet liikkuvat ennen törmäystä pitkin samaa suoraa eli törmäys on suora ja keskeinen, voidaan liikemäärän säilymisyhtälö kirjoittaa m A v A1 mB v B1 = m A mB v LUT/Mafy (7.31) Mekaniikan perusteet 45 Esimerkki 7.7: Ballistinen heiluri on laite, jolla voidaan mitata luodin nopeus. Ammuttu luoti (ml = 5,00 g) pysähtyy täysin puukappaleeseen (mh = 2,00 kg). Osuman jälkeen heiluri nousee 3,00 cm luoteineen. a) Laske luodin nopeus sen osuessa heiluriin. b) Kuinka suuri osa luodin kineettisestä energiasta muuttuu muuhun muotoon? v,ml (307 m/s; 99,8%) 7.6.2 mh mh+ml h Osittain kimmoisa törmäys Osittain kimmoisa törmäys on kimmottoman ja kimmoisan törmäyksen välimuoto. Törmäyksessä liikemäärä säilyy: m A v A1 m B v B1 = m A v A2 m B v B2 (7.32) Jos törmäys on suora ja keskeinen, liikkuvat kappaleet ennen törmäystä ja sen jälkeen pitkin samaa suoraa. Nyt törmäystä kuvaa skalaariyhtälö m A v A1 m B v B1 = m A v A2 m B v B2 (7.33) Molemmissa tapauksissa on tunnettava esimerkiksi kappaleiden liike ennen törmäystä ja toisen kappaleen liike törmäyksen jälkeen, jotta toisen kappaleen liike törmäyksen jälkeen voitaisiin selvittää. Törmäyksen kimmoisuuden astetta kuvaa sysäyskerroin e, joka määritellään suoralle keskeiselle törmäykselle yhtälöllä e= v B2 − v A2 v A1 − v B1 (7.34) Osittain kimmoisalle törmäykselle 0 < e < 1. Kun törmäys on kimmoton, e = 0 ja kun se on täysin kimmoisa, e = 1. 7.6.3 Kimmoisa törmäys Täysin kimmoisassa törmäyksessä säilyy liikemäärän lisäksi liike-energia: 1 1 1 1 2 2 2 2 m A v A1 m B v B1 = m A v A2 m B v B2 2 2 2 2 LUT/Mafy (7.35) Mekaniikan perusteet 46 Jos törmäys on suora ja keskeinen, liikemäärän säilymislaki antaa toisen kappaleiden liikettä sitovan yhtälön m A v A1 m B v B1 = m A v A2 m B v B2 (7.36) Muussa tapauksessa liikemäärän säilymislaki kirjoitetaan vektoriyhtälönä m A v A1 mB v B1 = mA v A2 mB v B2 (7.37) Atomien ja molekyylien törmäyksiä voidaan pitää täysin kimmoisina, samoin kovien esineiden (esim biljardipallot) törmäyksiä, joissa ei tapahdu merkittäviä muodonmuutoksia. Kimmoisan törmäyksen tarkastelu yksinkertaistuu, kun oletetaan, että toinen kappaleista on levossa ennen keskeistä törmäystä: vB1 = 0. Yhtälöt (7.35) ja (7.36) saavat nyt muodon 1 1 1 mA v 2A1 = m A v 2A2 m B v 2B2 2 2 2 (7.38) m A v A1 = m A v A2 mB vB2 (7.39) ja Näistä yhtälöistä saadaan kappaleiden nopeudet törmäyksen jälkeen: v A2= m A−m B v m Am B A1 (7.40) v B2= 2 mA v m AmB A1 (7.41) ja Jos törmäävillä kappaleilla on sama massa, mA = mB, nähdään, että kappaleet vaihtavat nopeuksia: vA2 = 0 ja vB2 = vA1. Jos taas mA >> mB, nähdään, että vA2 = vA1 ja vB2 = 2vA1. Lopuksi, kun mA << mB, saadaan loppunopeuksiksi vA2 = - vA1 ja vB2 = 0. Jos kimmoisa törmäys on edelleen suora ja keskeinen, mutta molemmat kappaleet liikkuvat ennen törmäystä, voidaan osoittaa, että kappaleiden lähenevät toisiaan ennen törmäystä samalla nopeudella kuin ne etääntyvät toisistaan törmäyksen jälkeen: v B2−v A2=−v B1−v A1 (7.42) (Törmäys ei vaikuta massakeskipisteen liikkeeseen.) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 47 8 PYÖRIMISLIIKE 8.1 Johdanto Kiinteä kappale voi olla paitsi etenemisliikkeessä, myös pyörimisliikkeessä jonkin akselin ympäri. Seuraavissa luvuissa tarkastellaan jäykän kappaleen pyörimisliikettä. Jäykän kappaleen eri osien väliset etäisyydet pysyvät muuttumattomina. Useimmiten näin voidaan olettaa, kun käsitellään kiinteitä kappaleita. Jäykän kappaleen liike voidaan jakaa kahteen osaan: translaatioliikkeeseen (eli etenemisliikkeeseen), jota on käsitelty aiemmissa luvuissa ja rotaatioliikkeeseen (pyörimisliikkeeseen). Kun kappale pyörii, sen jokainen piste kiertää ympyrärataa pyörimisakselin ympäri. 8.2 Kulmanopeus ja -kiihtyvyys Tarkastellaan seuraavaksi pyörivän kappaleen liikettä tasossa, joka on kohtisuorassa pyörimisakselia vastaan y (kuva 8.1). Kun kappale pyörii akselin ympäri, sen jokainen pyörimis- piste P kiertää ympyrärataa. Kunkin pisteen paikan P suunta pyörimisakselin suhteen määrää etäisyys r pyörimisakselista ja kulma θ, jonka paikkavektori r tekee tarkasteluhetkellä P valitun vertailusuunnan kanssa. Koska kappale on jäykkä, r voidaan koko kappaleen asentoa kuvaava kulma(asema) θ θ pyörimismäärittää minkä tahansa kappaleeseen kuuluvan pisteen x akseli paikkavektorin suuntakulman avulla. Kuva 8.1: z-akselin ympäri pyörivä jäykkä kappale s = rθ θ r Kuva 8.2: LUT/Mafy Kulma θ on määritelmän mukaan (kuva 8.2) θ= s r (8.1) missä s on (keskus)kulmaa θ vastaavan ympyrän kaaren pituus ja r ympyrän säde. Kulman yksikkö on [θ ] = rad (radiaani). Koska ympyrän kaaren pituus on s = 2πr, on täysi kulma 360° = 2π radiaania. Kulma θ > 0 , kun se mitataan vastapäivään. Mekaniikan perusteet 48 8.2.1 Kulmanopeus Keskimääräinen kulmanopeus ωk ilmoittaa kappaleen kulma-aseman θ keskimääräisen muutosnopeuden: t k = (8.2) missä Δθ = θ2 - θ1 on pyörimiskulman muutos ajassa Δt = t2 – t1. (Hetkellinen) kulmanopeus ω on kulma-aseman θ muutosnopeus hetkellä t: = [ω] = d dt (8.3) 1 rad = s s Usein kulmanopeuden sijaan ilmoitetaan pyörimisnopeus n. Koska yksi kierros on 2π radiaania, on pyörimisnopeus n= [n] = 2 (8.4) 1 1 (kierrosta/s). Myös yksikkö [n] = rpm = on yleisesti käytössä. s min Kappaleen pyöriessä jokainen kappaleen piste liikkuu ympyrärataa (kuva 8.3). Siten pyörimisakselista etäisyydellä r olevan pisteen ajassa t kulkema matka Δs on kappaleen kulmaaseman muutosta Δθ vastaavan ympyrän kaaren pituinen: y v r Δs (8.5) s =r Δθ x Jos yhtälö jaetaan matkaan käytetyllä ajalla Δt, saadaan keskimääräisen ratanopeuden v k = Kuva 8.3: k = välinen yhteys: t v k = r k LUT/Mafy s ja kulmanopeuden t (8.6) Mekaniikan perusteet 49 Kun annetaan ajan Δt lähestyä nollaa, saadaan vastaava hetkellisten nopeuksien välinen yhteys: (8.7) v=r 8.2.2 Kulmakiihtyvyys Keskimääräinen kulmakiihtyvyys αk on kulmanopeuden muutos Δω ajassa Δt: k = t (8.8) Kulmakiihtyvyys α on kulmanopeuden muutosnopeus hetkellä t: = d d2 = 2 dt dt Jälkimmäinen muoto seuraa siitä, että = (a) 1 rad d . Kulmakiihtyvyyden yksikkö on []= 2 = 2 . dt s s (b) ω ω (c) ω ω (8.9) α α Kuva 8.4: (a) Kulmanopeusvektori. (b) ja (c): kulmakiihtyvyys vektorina Kulmanopeus ja - kiihtyvyys määritellään yleisemmin vektoreina. Kulmanopeus ω on vektori, joka on pyörimisakselin suuntainen kuvan 8.4 a mukaisesti ja α on vektori, joka on ω -vektorin suuntainen, jos kulmanopeus kasvaa (kuva 8.4 b) ja sille vastakkainen, jos kulmanopeus pienenee (kuva 8.4 c). Kulmanopeusvektorin suunta selviää helposti oikean käden säännöllä: Jos pyörimisakseliin tartutaan oikealla kädellä niin, että sormet osoittavat pyörimissuuntaan, on kulmanopeusvektori peukalon suuntainen. Pyörimisliikkeessä pisteen kiihtyvyydellä a on kaksi komponenttia: tangentiaalinen kiihtyvyys at on ratanopeuden muutosnopeus: at = LUT/Mafy d r dv = = r dt dt (8.10) Mekaniikan perusteet 50 Radiaalinen kiihtyvyys ar (3.20) aiheutuu pyörimisliikkeestä: ar = v 2 r 2 = = r 2 r r (8.11) Ratanopeuden (ja kappaleen pyörimisnopeuden) muutoksen aiheuttaa kappaleeseen radan tangentin suunnassa vaikuttava voima, radiaalinen kiihtyvyys puolestaan johtuu kappaleen osia ympyräradalla pitävästä keskeisvoimasta. 8.3 Tasaisesti kiihtyvä pyörimisliike Jos kappaleen kulmakiihtyvyys α on vakio, se on yhtä suuri kuin kappaleen keskimääräinen kulmakiihtyvyys αk. Jos kulmanopeus on ω0 hetkellä t = 0 ja ω hetkellä t, on kulmakiihtyvyys yhtälön (8.8) mukaan − 0 t−0 (8.12) =0 t (8.13) = Tästä saadaan kulmanopeudelle lauseke Keskimääräinen kulmanopeus on tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä alku- ja loppukulmanopeuksien keskiarvo: k = 0 2 (8.14) Toisaalta keskimääräisen kulmanopeuden määritelmän (8.2) mukaan k = − 0 t (8.15) Yhtälöistä (8.13), (8.14) ja (8.15) saadaan kappaleen kulma-asema hetkellä t: = 0 0 t LUT/Mafy 1 2 t 2 (8.16) Mekaniikan perusteet 51 Tasaisessa pyörimisliikkeessä kulmakiihtyvyys α = 0, joten kulmanopeus ω = vakio ja kappaleen kulma-asema = 0 t (8.17) Esimerkki 8.3: Polkupyörän pyörä on tasaisesti hidastuvassa liikkeessä, α = -1,20 1/s2. Aluksi kulmanopeus on ω0 = 4,00 1/s. Laske pyörän kulmanopeus ja kulma-asema 3,00 sekunnin kuluttua. (0,40 1/s; 0,32 rad) Esimerkki 8.4: Lentokoneen potkurin lapojen nopeus saa olla enintään 270 m/s (80 % äänen nopeudesta). Jos lentokoneen nopeus ilman suhteen on 75 m/s ja potkurin kierrosluku on 2400 rpm, a) mikä on potkurin lapojen suurin mahdollinen halkaisija ja b) mikä on tällöin potkurin lapojen kärkien kiihtyvyys? (2,06 m; 6,5×104 m/s2) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 52 9 PYÖRIMISLIIKKEEN DYNAMIIKKA 9.1 Johdanto Kappaleeseen vaikuttava nettovoima määrää sen liiketilan muutokset Newtonin lakien mukaisesti myös pyörimisliikkeessä. Kun kappale saatetaan pyörimisliikkeeseen jonkin akselin ympäri, tarvitaan tähän voimaa. Voiman suuruuden lisäksi yhtä tärkeä tekijä on voiman vaikutussuoran etäisyys pyörimisakselista. Molempien tekijöiden yhteisvaikutusta kuvaa voiman momentti. Lisäksi, kuten edellisessä luvussa nähtiin, pyörimisliikkeen kuvaamiseen on käytettävä paikan, nopeuden ja kiihtyvyyden sijasta kulma-asemaa, kulmanopeutta ja kulmakiihtyvyyttä. Kappaleen massan asemassa pyörimisliikkeessä on hitausmomentti. Tästä seuraa, että dynamiikan peruslait on muokattava uuteen muotoon, jotta ne soveltuisivat pyörimisen kuvaamiseen. Samoin muut edellisissä luvuissa johdetut periaatteet on muotoiltava uudelleen, kun kappale pyörii. Mekaanisen energian säilymislakiin on lisättävä pyörimisliikkeen energian osuus ja liikemäärän säilymislaki saa liikemäärämomentin säilymislain muodon. 9.2 Voiman momentti Oletetaan, että kappale pääsee kiertymään kiinteän akselin O ympäri ja kappaleeseen vaikuttaa akselia O vastaan kohtisuorassa tasossa voima, joka ei kohdistu suoraan akseliin. Voiman vaikutus riippuu paitsi voiman suuruudesta ja suunnasta, myös vaikutuspisteen ja akselin välisestä etäisyydestä. Vaikutusta kuvaa voiman momentti M: Voiman momentti = voima × voiman vaikutussuoran kohtisuora etäisyys pyörähdysakselista. Jos voima pyrkii kiertämään kappaletta vastapäivään, M > 0, muulloin M< 0. Jos kuvan 9.1 voimat ovat sivun tasossa ja pyörimisakseli O kohtisuorassa sivun tasoa vastaan, ovat kuvan voimien momentit akselin (momenttipisteen) O suhteen: F1 F3 O l1 l2 M1 = F1l1 F2 M2 = - F2l2 Kuva 9.1: M3 = 0 Kun piirretään paikkavektori r momenttipisteestä voiman vaikutuspisteeseen, voidaan momentti laskea kuvan 9.2 mukaisesti. Kuvan mukaan F Ft=Fsinφ φ r φ Fr=Fcosφ M = F l = F t r = F r sin φ (9.1) [M] = Nm. O l=rsinφ Huomaa, että kulma φ yhtälössä (9.1) on paikkavektorin r ja voiman F välinen kulma. Kuva 9.2: LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 53 Mikäli kaikki kappaleeseen vaikuttavat voimat Fi ovat samassa tasossa, saadaan kappaleeseen vaikuttava kokonaismomentti summaamalla yksittäisten voimien momentit: N N i=1 i=1 M = ∑ M i = ∑ F i r i sin φi (9.2) Esimerkki 9.1: Auton renkaita vaihdettaessa on kiinnitysmutteria kiristettävän momentin oltava vähintään 98 Nm. Laske kiristämiseen tarvittava voima. 67° F 45 cm (240 N) Yleisemmin voiman momentti määritellään vektorina ja vektoriristitulon määritelmän D.26 perusteella yhtälö (9.1) voidaan kirjoittaa: M = r×F (9.3) Yhtälö (9.3) pätee, vaikka voima ei olisikaan pyörimisakselia vastaan kohtisuorassa tasossa. Myös yhtälö (9.2) voidaan kirjoittaa yleisemmin muodossa N M = ∑ Mi (9.4) i=1 9.3 Pyörimisliikkeen perusyhtälö y Fiy ω r1 O z Kuva 9.3: LUT/Mafy r Fit mi Fir x Muokataan seuraavaksi Newtonin toinen laki muotoon, joka soveltuu pyörimisliikkeeseen. Tarkastellaan jäykkää kappaletta, joka pääsee pyörimään y-akselin suuntaisen symmetria-akselinsa ympäri. Jos kappaleeseen vaikuttaa voima F, jonka momentti τ ≠ 0, joutuu kappale kiihtyvään pyörimisliikkeeseen, jonka kulmakiihtyvyys on α. Kiinteän kappaleen voidaan ajatella koostuvan joukosta massapisteitä (kuva 9.3), joista kukin kiertää ympyrärataa. Jokaiseen massapisteeseen mi vaikuttaa osa Fi kokonaisvoimasta. Voima voidaan jakaa kuvan 9.3 mukaisesti kolmeen toisiaan vastaan kohtisuoraan komponenttiin: Fiy on pyörimisakselin suuntainen voima ja Fir ympyräradan säteen suuntainen voima. Kumpikaan Mekaniikan perusteet 54 näistä ei vaikuta massapisteen pyörimisliikkeeseen. Rataympyrän tangentin suuntainen voima Fit sen sijaan saa aikaan tangentiaalisen kiihtyvyyden ait . Newtonin toisen lain mukaan F i t = mi a i t (9.5) Koska kappale on jäykkä, koko kappaleen kulmakiihtyvyys α määrää yksittäisen massapisteen kiihtyvyyden: a i t = ri (9.6) Sijoitetaan tämä yhtälöön (9.5) ja kerrotaan puolittain massapisteen kohtisuoralla etäisyydellä pyörimisakselista ri: 2 (9.7) F i t r i = mi r i Nähdään, että Fit ri = Mi on voiman Fi momentti. Koko kappaleen pyörimistä kuvaava yhtälö saadaan, kun yhtälö 9.7 summataan yli kaikkien massa-alkioiden: N ( N ∑ M i = ∑ mi r 2i i=1 i=1 ) α (9.8) Yhtälön vasen puoli on kaikkien kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten voimien momenttien summa τ. Yhtälön oikean puolen sulkulauseke on kappaleen hitausmomentti I: N I = ∑ mi r 2i (9.9) i=1 Newtonin toisen lain vastine pyörimisliikkeessä on siis =I (9.10) Yhtälö pätee vain jäykille kappaleille. Kun verrataan lauseketta Newtonin toiseen lakiin havaitaan, että pyörimisliikkeessä kappaleeseen vaikuttavaa voimaa F vastaa voiman momentti τ ja kappaleen massaa m vastaa kappaleen hitausmomentti I. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 55 9.4 Kappaleen hitausmomentin laskeminen Ennen kuin yhtälöä (9.10) voi soveltaa jäykän kappaleen pyörimisliikkeeseen, on tunnettava kappaleen hitausmomentti N I = ∑ mi r i 2 (9.11) i=1 Yhtälö pätee, mikäli kappale koostuu osista, joita voidaan pitää pistemäisinä. Esimerkki 9.2: Laske oheisen kappaleen hitausmomentit akselin A ja tätä akselia vastaan kohtisuoran akselin B-C suhteen. Kappaleiden massat: mA = 0,30 kg, mB = 0,10 kg ja mC = 0,20 kg. Kappaleita yhdistävien osien massat ovat pieniä ja kappaleita A, B ja C voidaan pitää pistemäisinä. (IA = 0,057 kgm2; IBC = 0,048 kgm2) B 0,5 0m 0,30 m A 0,40 m C Yleisesti kappaleen hitausmomentti lasketaan seuraavasti. Jaetaan kappale, jonka kokonaismassa on m ja tilavuus V, massa-alkioihin dm. Jos massa-alkion etäisyys pyörimisakselista on r, on alkion hitausmomentti r2dm. Koko kappaleen hitausmomentti saadaan, kun lasketaan massa-alkioiden hitausmomentit yhteen: I = ∫ r 2 dm = ρ∫ r 2 d V V V (9.12) Jälkimmäinen muoto pätee kun kirjoitetaan dm = ρ dV ja oletetaan kappaleen tiheys ρ vakioksi. Kappaleen hitausmomentin suuruus riippuu voimakkaasti kappaleen muodosta ja lisäksi pyörähdysakselin asemasta. Kun kappaleen hitausmomentti lasketaan yhtälön (9.12) mukaisesti, se yleensä lasketaan painopisteen kautta kulkevan akselin suhteen. Joidenkin kappaleiden hitausmomentteja on liitteessä E. Huomaa, että kappaleen hitausmomenttia ei voi laskea ajatellen, että koko massa on keskittynyt painopisteeseen. 9.4.1 Steinerin sääntö Mikäli kappaleen (massa m) hitausmomentti ICM painopisteen kautta kulkevan akselin suhteen tunnetaan, niin hitausmomentti IP tämän akselin suuntaisen, etäisyydellä d olevan akselin suhteen on (kuva 9.4) I P = I CM + m d LUT/Mafy 2 (9.13) Mekaniikan perusteet 56 Tämä tunnetaan nimellä Steinerin sääntö. d IP ICM Kuva 9.4: Steinerin sääntö Olkoon kappaleen hitausmomentit kahden toisiaan vastaan kohtisuoran akselin suhteen Ix ja Iy . Kappaleen hitausmomentti kolmannen, näitä akseleita vastaan kohtisuoran akselin suhteen on I z =I x I y (9.14) Esimerkki 9.3: Laske R-säteisen umpinaisen pallon (massa m) hitausmomentti pallon pintaa sivuavan akselin suhteen. 7 mR 2 5 Esimerkki 9.4: Neljästä homogeenisesta tangosta (massa m, pituus l) muodostetaan neliö. Laske neliön hitausmomentti a) neliön sivun kautta kulkevan (neliön tason suuntaisen) akselin suhteen ja b) neliön nurkan kautta kulkevan, neliön tasoa vastaan kohtisuoran akselin suhteen. 5 2 10 2 ml ; ml 3 3 9.5 Esimerkkejä pyörivän kappaleen dynamiikasta Pyörimisliikkeeseen liittyvien tehtävien ratkaisu noudattaa luonnollisestikin samoja periaatteita kuin Newtonin lakien yhteydessä luvussa 4.4 esitettiin. Esimerkki 9.5: Sylinterin muotoinen satelliitti (massa 440 kg, halkaisija 1,4 m) pyörii akselinsa ympäri 10 rpm. Pyörimisliike pysäytetään kahdella satelliitin kylkiin kiinnitetyllä rakettimoottorilla, joiden työntövoima on sylinterin tangentin suuntainen ja suuruudeltaan 20 N. Kauanko pyörimisliikkeen pysäyttäminen kestää? (4,0 s) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 57 Esimerkki 9.6: Sylinterin ympäri kiedotun langan päissä riippuvat kappaleet mA = 0,10 kg ja mB = 0,30 kg. Sylinteri (massa m = 0,20 kg ja säde R = 0,10 m) pääsee pyörimään kitkatta vaakasuoran akselin ympäri. Laske R a) massojen A ja B kiihtyvyys, b) sylinterin kulmakiihtyvyys ja A c) voimat, joilla massat A ja B vaikuttavat lankaan. B (3,9 m/s2; 39 1/s2 1,4 N, 1,8 N) 9.6 Pyörimisliikkeen energia Kun kappale pyörii kiinteän akselin ympäri kulmanopeudella ω, jokaisella kappaleen massapisteellä mi etäisyydellä ri pyörimisakselista on liike-energia Ki. Koska kunkin osasen ratanopeus vi riippuu akselista lasketusta etäisyydestä ri yhtälön (8.7) mukaisesti, vi = ri ω , on kunkin osasen liikeenergia Ki = 1 1 mi v 2i = mi r 2i 2 2 2 (9.15) Koko kappaleen liike-energia saadaan, kun lasketaan osasten liike-energiat yhteen: N 1 2 K = ∑ Ki = i =1 N ∑ mi r 2i i=1 2 (9.16) Suluissa oleva lauseke on kappaleen hitausmomentti pyörimisakselin suhteen: N I = ∑ mi r 2i (9.17) i=1 Yhtälön (9.16) mukaan pyörimisliikkeen kineettinen energia on siis: K= LUT/Mafy 1 I 2 2 (9.18) Mekaniikan perusteet 58 9.7 Työ ja teho pyörimisliikkeessä Pyörimisliikkeessä kappaleen jokainen piste liikkuu ympyrärataa. Kun kappaleeseen vaikuttaa ulkoinen voima, vain rataympyrän tangentin suuntaisella voiman komponentilla Ft on vaikutusta pyörimisliikkeeseen (kuva 9.5). Kun voiman Ft vaikutuspiste siirtyy pitkin rataympyrää matkan ds = R dθ, se tekee työn dW: Ft Ft ds dθ R dW = F t d s = F t R d (9.19) Koska voiman Ft momentti on τ = Ft R, voidaan työlle kirjoittaa lauseke Kuva 9.5: dW = d (9.20) Kun kappale kiertyy kulman Δθ = θ2 - θ1, saadaan tehty kokonaistyö laskemalla eo. työt yhteen: 2 W = ∫ d (9.21) 1 Jos momentti pysyy vakiona, on voiman tekemä työ yksinkertaisesti W = 2 − 1 = (9.22) Tarkastellaan edelleen ulkoisen voiman tekemää työtä, kun kappale kiertyy kulman dθ. Koska pyörimisliikkeen perusyhtälön (9.10) mukaan τ = Iα, voidaan momentin tekemä työ (9.20) kirjoittaa muotoon dW = τ d = I d = I d d d=I d=I d dt dt (9.23) Kun kappale jälleen kiertyy kulman Δθ = θ2 - θ1, on kokonaistyö 2 W =∫I d = 1 1 1 I 22 − I 21 2 2 (9.24) Yhtälön oikea puoli on voiman momentin vaikutuksesta tapahtunut kappaleen pyörimisenergian LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 59 muutos. Tämä tulos on työ- energia - periaate pyörimisliikkeelle: Ulkoisen resultanttivoiman momentin tekemä työ on yhtä suuri kuin kappaleen pyörimisenergian muutos. Koska teho tarkoittaa aikayksikössä tehtyä työtä, voima tekee työtä teholla P= dW d = = dt dt (9.25) Esimerkki 9.7: Sähkömoottorin vääntömomentti on 10 Nm. Se pyörittää hiomakiveä, jonka hitausmomentti on 2,0 kgm2. Laske a) sähkömoottorin tekemä työ aikavälillä 0 – 8,0 s käynnistyksestä ja b) sähkömoottorin syöttämä keskimääräinen teho tänä aikana. c) Laske moottorin teho hetkellä t = 8,0 s. (1600 J; 200 W; 400 W) Kun kappaleiden liikkeeseen liittyy samanaikaisesti sekä etenevä että pyörimisliike, voidaan työ energia - periaatetta (5.5) ja mekaanisen energian säilymislakia (6.19) käyttää, kunhan kineettisen energian lausekkeisiin lisätään pyörimisliikkeen energian osuus (9.18). Esimerkki 9.8: Sylinteri (mS = 4,0 kg) pääsee pyörimään kitkattomasti vaakasuoran akselin ympäri. Sylinterin kehälle kiedotun langan päähän on kiinnitetty kappale (m = 2,0 kg). Kappale lähtee levosta liikkeelle. Laske kappaleen nopeus hetkellä, jolloin se on liikkunut matkan s = 0,40 m. (2,0 m/s) 9.8 Yhdistetty etenevä liike ja pyörimisliike Jos pyörivän kappaleen pyörimisakseli on etenevässä liikkeessä, kappaleen liike koostuu kahdesta osasta. Etenevää liikettä voidaan kuvata sijoittamalla kappaleen koko massa massakeskipisteeseen ja tarkastelemalla massakeskipisteen liikettä, pyöriminen puolestaan tapahtuu massakeskipisteen kautta kulkevan akselin suhteen. v 9.8.1 Vieriminen liukumatta Tarkastellaan pitkin alustaa vierien etenevää rengasta (kuva 9.6). Koska rengas on symmetrinen, sen pyörimisakseli kulkee symmetriakeskuksen eli massakeskipisteen kautta. Koska kappale on jäykkä, renkaan jokainen piste etenee massakeskipisteen nopeudella vCM. Toisaalta rengas vierii liukumatta, joten alustaan koskettavan kehäpisteen täytyy LUT/Mafy vCM v vCM vCM v v vCM Kuva 9.6: Mekaniikan perusteet 60 olla levossa alustan suhteen. Renkaan ulkopinnan kehänopeus on siis v = vCM. Kun renkaan kulmanopeus on ω ja säde R on kehäpisteen nopeuden ja kulmanopeuden välillä voimassa yhteys (9.26) v CM =R 9.8.2 Pyörivän ja etenevän kappaleen energia Jos kappale on yhtä aikaa etenevässä ja pyörimisliikkeessä, sen liike-energia koostuu kahdesta osasta, etenevän liikkeen ja pyörimisliikkeen liike-energioista: K= 1 1 2 2 M vCM I CM 2 2 (9.27) missä vCM on painopisteen etenemisnopeus, ω pyörimisnopeus painopisteen ympäri ja ICM kappaleen hitausmomentti painopisteen suhteen. Esimerkki 9.9: Ohutseinäinen sylinteri, umpinainen sylinteri, ontto pallo ja umpinainen pallo lähetetään samanaikaisesti vierimään (liukumatta) pitkin kaltevaa tasoa korkeudelta h. Jos kaikkien kappaleiden massa on sama, m ja säde niin ikään sama, R, missä järjestyksessä ne ovat alhaalla? (umpinainen pallo, umpinainen sylinteri, ontto pallo, ontto sylinteri) 9.8.3 Vierivän ja etenevän kappaleen dynamiikka Kun kappale, jonka massa on M, etenee vierien sen massakeskipisteellä on kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten voimien resultantin F vaikutuksesta kiihtyvyys aCM: F = M aCM (9.28) Ulkoisten voimien momenttien summa puolestaan saa kappaleen kiihtyvään pyörimisliikkeeseen painopisteensä ympäri: τ = I CM (9.29) Jälkimmäinen yhtälö pätee, jos massakeskipisteen kautta kulkeva akseli on symmetria-akseli ja lisäksi pyörimisakselin suunta ei muutu. Jos liikkuminen tapahtuu liukumatta, massakeskipisteen kiihtyvyyden ja pyörimisliikkeen kulmakiihtyvyyden α sitoo toisiinsa yhtälö a CM =R α LUT/Mafy (9.30) Mekaniikan perusteet 61 2 Esimerkki 9.10: Osoita, että jojon (massa m, säde R) kiihtyvyys on a= g ja 3 1 jojosta purkautuvan langan jännitys T = mg . 3 9.9 Liikemäärämomentti y Etenemisliikkeessä kappaleen liikemäärä p muuttuu voiman F vaikutuksesta ja eristetyn systeemin liikemäärä säilyy. Vastaava tulos pätee myös pyörimisliikkeessä, kun liikemäärän sijaan tarkastellaan liikemäärämomenttia L. Kun pyörivään kappaleeseen vaikuttaa ulkoinen voima, liikemäärämomentti muuttuu voiman momentin τ vaikutuksesta ja liikemäärämomentti säilyy, jos systeemi on eristetty. p = mv φ mv sinφ m r φ Pistemäisen kappaleen (massa m, nopeus v) liikemäärämomentti L (pyörimis)akselin O suhteen määritellään seuraavasti: x l=rsinφ Kuva 9.7: Pistemäisen kappaleen liikemäärämomentti L = r × p = r × mv (9.31) missä p = mv on kappaleen liikemäärä ja r on kappaleen paikkavektori akselin O suhteen. Oletetaan seuraavassa, että pyörimisakseli on z-akselin suuntainen ja sekä paikkavektori r, että liikemäärävektori p ovat xy- tasossa (kuva 9.7). Nyt liikemäärämomentin itseisarvo voidaan kirjoittaa ristitulon määritelmän D.26 avulla muotoon y L = mv r sin = mvl vi = riω ri missä l on liikemäärävektorin p kohtisuora etäisyys pyörimisakselista. mi x z L:n suunta Kuva 9.8: Levymäisen kappaleen liikemäärämomentin laskeminen LUT/Mafy (9.32) Johdetaan seuraavaksi liikemäärämomentin lauseke pyörivälle jäykälle kappaleelle. Oletetaan, että kappale on ohut levy xy - tasossa ja se pyörii z-akselin ympäri kuvan 9.8 mukaisesti. Jos kappaleen kulmanopeus on ω, kappaleen jokainen piste etäisyydellä ri pyörimisakselista liikkuu ympyräradalla ratanopeudella vi: Mekaniikan perusteet 62 v i =r i (9.33) Kullakin osasella (massa mi) on liikemäärämomentti pyörimisakselin suhteen: Li =mi v i r i =mi r i2 (9.34) Koska oletettiin, että kappale on ohut levy xy- tasossa, jokaisen osasen Li - vektori on z- akselin suuntainen. Tästä seuraa, että koko jäykän kappaleen liikemäärämomentin suuruus saadaan, kun lasketaan osasten liikemäärämomentit yhteen: L= mi r 2i = I ∑ i (9.35) I on kappaleen hitausmomentti pyörimisakselin (z-akselin) suhteen. Saatu tulos pätee myös yleisesti jäykälle kappaleelle, kun z-akseli on symmetria-akseli. Jos kappale pyörii symmetria- akselinsa ympäri kulmanopeudella ω, L=I (9.36) Esimerkki 9.11: a) Homogeeninen kuutio (m = 2,0 kg ja kuution särmä l = 6,0 cm) liukuu pitkin vaakasuoraa pöydän pintaa nopeudella 1,5 m/s. Laske kuution liikemäärämomentti nopeutta vastaan kohtisuorassa olevan pöydän reunan suhteen. b) Umpinainen pallo (m = 1,5 kg, R = 0,50 m) pyörii keskipisteen kautta kulkevan akselin suhteen kulmanopeudella 3,0 1/s. Laske pallon liikemäärämomentti tämän akselin suhteen. (0,090 kgm2/s; 0,45 kgm2/s) 9.10 Liikemäärämomentin säilyminen Derivoidaan yhtälö (9.31) ajan suhteen. Ristitulon ominaisuuksista, Newtonin toisesta laista sekä yhtälöistä (7.14) ja (9.3) seuraa: dL dr d p = × pr× = v × mv r ×F = dt dt dt LUT/Mafy (9.37) Mekaniikan perusteet 63 Liikemäärämomentin muutosnopeus on yhtä suuri kuin kappaleeseen vaikuttavan nettovoiman momentti τ. Tulos pätee yleisesti kaikille kappaleille ja hiukkassysteemeille: τ= dL dt (9.38) Tästä seuraa välittömästi liikemäärämomentin säilymislaki: jos systeemiin vaikuttavien ulkoisten dL = 0 , systeemin liikemäärämomentti L pysyy vakiona. voimien kokonaismomentti on nolla, eli dt Jos kappaleen hitausmomentti muuttuu sisäisten voimien vaikutuksesta, kappaleen pyörimisnopeus muuttuu. Olkoon kappaleen hitausmomentti aluksi I1 ja kulmanopeus ω1 ja lopuksi vastaavasti I2 ja ω2. Liikemäärämomentin säilymislain mukaan voidaan kirjoittaa L1 = L 2 (9.39) I 1 1 = I 2 2 (9.40) eli Hitausmomentin pienentyessä kappaleen kulmanopeus siis kasvaa ja vastaavasti hitausmomentin kasvaessa kulmanopeus pienenee. Esimerkki 9.12: Sylinteri (massa mA = 0,50 kg, säde rA = 0,10 m) riippuu langan varassa kuvan mukaisesti. Lanka kulkee ympyrälevyn B (massa mB = 0,10 kg, säde rB = 0,10 m) keskipisteeseen poratun reiän läpi. Ympyrälevy pyörii nopeudella ω0 = 18 1/s, kun se putoaa sylinterin päälle. Törmäyksessä kappaleet takertuvat toisiinsa. a) Laske kappaleiden yhteinen kulmanopeus heti törmäyksen jälkeen. ω B A b) Paljonko törmäyksessä kuluu energiaa? (3,0 1/s; 4,5 mJ) Esimerkki 9.13: Karusellin (säde R = 1,3 m, hitausmomentti I = 240 kgm2 ) pyörimisnopeus on aluksi ω0 = 11 rpm. a) Kyytiin karusellin reunalle hyppää poika (mP = 28 kg) juosten karusellin säteen suuntaisesti. Laske pyörimisnopeus, kun poika on kyydissä. b) Mukaan karusellin reunalle hyppää hetken kuluttua tyttö (mT = 32 kg), juosten karusellin tangentin suuntaisesti nopeudella 3,7 m/s (karusellin pyörimissuuntaan). Mikä on karusellin pyörimisnopeus, kun molemmat ovat kyydissä? (9,2 rpm; 12,0 rpm) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 64 9.10.1 Prekessio L = Iω Ω ω τ r W = mg Kun hyrrä pyörii kulmanopeudella ω, eikä hyrrän akseli ole täsmälleen pystysuorassa (kuva 9.9), havaitaan, että hyrrä ei kaadu maan vetovoiman vaikutuksesta, vaan sen kärki kiertää ympyrärataa vakionopeudella (prekessioliike). Maan vetovoima kohdistaa yhtälön (9.3) mukaisesti hyrrään momentin =r ×m g , joka on kohtisuorassa maan vetovoimaa ja painopisteen paikkavektoria r vastaan. Koska L- vektori on hyrrän pyörimisakselin (ja r – vektorin) suuntainen, on τ myös sitä vastaan kohtisuorassa. Yhtälön (9.38) mukaan momentti muuttaa liikemäärämomenttia: d L= dt (9.41) dL – vektori on L- vektoria vastaan kohtisuorassa. L- vektorin pituus ei siis muutu: ∣L0∣=∣L 1∣=L , mutta sen suunta muuttuu ja samalla hyrrän pyörimisakseli kiertyy (kuva 9.10). Akseli kiertyy vakiokulmanopeudella Kuva 9.9: Prekessio L1 ΔL = τ Δt Δφ L0 ∣ L∣ ∣L0∣ = = = = t t L I (9.42) Kuva 9.10: Esimerkki 9.14: Gyroskoopissa on l = 2,0 cm pitkä kevyt varsi. Varren toiseen päähän on kiinnitetty umpinainen sylinteri, jonka säde on R = 3,0 cm. Hyrrän pyöriessä tapin päässä sen prekessioliike on vaakatasossa siten, että yhteen kierrokseen kuluu aikaa 4,0 sekuntia. Laske hyrrän pyörimisnopeus. Ω ω (2600 rpm ) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 65 10 TASAPAINO 10.1 Johdanto Kappale on tasapainossa, jos siihen vaikuttavat ulkoiset voimat eivät muuta kappaleen liiketilaa. Tämä puolestaan tarkoittaa, että etenemisliikkeessä nopeus on vakio ja pyörimisnopeus pysyy vakiona. Yleensä, kuten myös seuraavassa tarkastelussa tasapainolla tarkoittaa tilaa, jossa kappale ei liiku. Jotta ulkoiset voimat eivät muuttaisi kappaleen liiketilaa on edellytettävä, että voimat ovat tasapainossa ja lisäksi voimien momentit ovat tasapainossa. 10.2 Tasapainoehdot 10.2.1 Voimien tasapaino Kappaleen etenemisliikkeessä kiihtyvyys on nolla, jos siihen vaikuttavien ulkoisten voimien Fi resultantti on nolla: N ∑ Fi = 0 (10.1) i=1 Voimien tasapaino pätee myös kunkin koordinaattiakselin suunnassa: N N N i=1 i=1 i=1 ∑ F x = 0 ∑ F y = 0 ∑ Fz = 0 (10.2) Tätä tasapainoehtoa sovellettiin jo Newtonin lakien yhteydessä tilanteessa, jossa voitiin olettaa, että kaikki voimat vaikuttavat samaan pisteeseen. 10.2.2 Momenttien tasapaino Jäykän kappaleen tasapaino edellyttää lisäksi, ettei kappale pyöri, ts. kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten voimien momenttien τi resultantti minkä tahansa momenttipisteen suhteen on nolla: N ∑ Mi = 0 (10.3) i=1 Momenttipiste kannattaa valita siten, että yhden tai useamman voiman momentti tämän pisteen suhteen on nolla. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 66 Esimerkki 10.1: Massaton lankku (pituus l = 5,0 m) on saranoitu toisesta päästään seinään ja tuettu 3,0 metrin päässä seinästä vaakatasoon. Lankun toista päätä kuormittaa pystysuora voima F = 1000 N. Laske saranassa ja tuessa vaikuttavat kuormitusvoimat. (670 N; 1,7 kN) 5,0 m 3,0 m Esimerkki 10.2: Kuvan kaappia (massa m = 40 kg, leveys b = 0,80 m, korkeus c = 1,8 m) työnnetään vaakasuoraa lattiaa pitkin vakionopeudella vaakasuoralla voimalla F. Voiman vaikutuspisteen etäisyys lattiasta on h. Kaapin ja lattian välinen kitkakerroin on μk = 0,25. a) Laske voima F ja lattian kaappiin kohdistamat tukivoimat, kun h = 1,2 m. F b F c h b) Millä h:n arvolla kaapin nurkka irtoaa lattiasta? Voima F pysyy vakiona. (98 N, 49 N, 340 N (vasen nurkka); 1,6 m) Esimerkki 10.3: Tikkaat (pituus 5,0 m ja paino 180 N) on asetettu seinää vasten siten, että ne ovat 53,1° kulmassa vaakatason suhteen. Mies (paino 800 N) nousee tikkaita 1/3 niiden pituudesta. a) Laske tikkaiden alapäässä vaikuttava pinnan normaalivoima ja kitkavoima. b) Kuinka suuri lepokitkakertoimen on vähintään oltava, jotta tikkaiden alapää pysyisi paikallaan? c) Kuinka suuri ja minkä suuntainen on tikkaiden alapäähän kohdistuva tukivoima? (980 N, 268 N; 0,27; 1020 N, 75° ) LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 67 LIITE A : Perusmatematiikkaa A.1 Potenssit, logaritmit, ym a −x = 1 x a a x y x =a a ln a = x => a = e x ln ab = ln a ln b log(ab)=log a+log b y a x − y x = a ay log a= x => a=10 x a ln = ln a − ln b b a log = log a − log b b ln a x = x ln a x log a = x log a a±b2 = a 2±2 a bb 2 2 ax +bx+c = 0 => x = −b± √ b2 −4 a c 2a A.2 Trigonometriset funktiot Suorakulmainen kolmio: c2 = a2 b2 c b a b sin α sin α = ; cos α = ; tan α = = c c a cos α 2 2 sin α cos α = 1 b α a sin−α =−sin α ; cos −α = cos α π π sin α± = ±cos α ; cos α± =∓sin α 2 2 sin α β = sin α cos β cos α sin β ; sin α−β = sin α cos α − cos α sin β cos α β = cos α cos β − sin α sin β ; cos α− β = cos α cos β sin α sin β sin 2α = 2 sin α cos α ; cos 2α = cos 2 α − sin 2 α = 1 − 2 sin2 α = 2 cos2 α − 1 α β α−β ; αβ α− β sin αsin β = 2 sin cos cos αcos β = 2 cos cos 2 2 2 2 LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 68 Geometriaa: Ympyrä, säde r: kehän pituus S = 2 r , pinta-ala A = r 2 4 3 Pallo, säde r : pinta-ala A = 4 r 2 , tilavuus V = r 3 LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 69 LIITE B : Derivointi B.1 Keskimääräinen muutosnopeus. Derivaatta y y= f(x) f(x+Δx) Tarkastellaan muuttujien y ja x välistä riippuvuutta, jota kuvaa funktio y = f(x) (kuva B.1). Kun x muuttuu määrällä Δx, antaa muuttujan y keskimääräisen muutosnopeuden välillä [x, x + Δx] erotusosamäärä Kk : f(x) Kk = x x+Δx x Kuva B.1: Funktion keskimääräinen muutosnopeus f xΔ x− f x Δy = Δx Δx (B.1) Kuvasta B.1 nähdään, että keskimääräinen muutosnopeus on pisteiden [ x, f(x)] ja [x + Δx, f(x + Δx)] kautta piirretyn suoran kulmakerroin. Kun annetaan muutoksen Δx lähestyä nollaa, lähestyy kuvan B.1 suora käyrän y = f(x) pisteeseen x piirrettyä tangenttia ja erotusosamäärä lähestyy funktion f(x) derivaattaa eli hetkellistä muutosnopeutta pisteessä x: f x Δ x − f x dy lim Δ y lim = = dx Δx 0 Δx Δx Δx 0 (B.2) Derivaatasta voidaan käyttää myös merkintöjä y', f'(x), D(f(x)). Funktion y = f(x) derivaatta on siis yhtä suuri kuin sen pisteeseen [x, f(x)] piirretyn tangentin kulmakerroin. Toisaalta, jos funktion derivaatta on f'(x) ja x muuttuu määrällä Δx, niin yhtälön (B.2) mukaan funktion arvo muuttuu määrällä Δy = f'(x) Δx, olettaen että muutos Δx on pieni. Esimerkki B.1: Johda funktion y = f(x) = x2 derivaatan lauseke lähtien derivaatan määritelmästä. Ratkaisu: f ´ x = lim Δx 0 LUT/Mafy x Δ x 2−x 2 lim = 2 x Δ x = 2 x Δx Δx 0 Mekaniikan perusteet 70 B.2 Derivointisääntöjä Fysiikassa yleisimmin esiintyvät funktiot ja niiden derivaatat on koottu taulukkoon B.1 ja funktioiden derivointiin liittyvät säännöt taulukkoon B.2: Funktio f(x) Derivointi Derivaatta f'(x) d (C ) dx Vakio C Funktio 0 Cx n ; d ( Cx n) dx C ja n vakioita Cn x n−1 sin θ cos θ d ( cosθ ) −sin θ dθ ln x d ( ln x ) dx 1 x ex d x (e ) dx ex cos θ Derivaatta f(x)+g(x) d f x g x f '(x)+g'(x) dx f(x)g(x) d f x g x dx f x gx d ( sin θ ) dθ Derivointi f(g(x)) [ ] d f x dx g x d [ f g x ] dx f '(x)g(x)+f(x)g'(x) f ' x g x− f x g ' x [ g x]2 f '(g(x)) g'(x) Taulukko B.2: Derivointisäännöt Taulukko B.1: Yleisimpien funktioiden derivaatat Esimerkkejä derivointisääntöjen käytöstä: 1 4 f x =2 x 3 x 3 = 2 x 43 x 2 4 x−3 => x 1 1 1 −1 3 − 3 1 12 f ' x=2×4 x 4 −13× x 2 4×−3 x−3−1=8 x 3 x 2 −12 x −4 =8 x 3 − 2 2 2 x x4 4 f x =3 x 2 5 x1 => f ' x=3×2 x 2−1 5 x13 x 2 5×1 x 1−1 0=6 x 5 x115 x 2=45 x 26 x f x = sin x => x f ' x= 2 f x =2 sin a x => LUT/Mafy cos x×x−sin x×1 x cos x−sin x = 2 x x2 f ' x=2cos ax 2 × d a x 2 = 2cos a x 2×2 a x = 4 a x cos a x 2 dx Mekaniikan perusteet 71 LIITE C : Integrointi C.1 Määrätty integraali y y=f(x) Ai x=a Tarkastellaan kuvan C.1 funktiota y = f(x), joka on positiivinen kaikkialla välillä [a ≤ x ≤ b]. Mikä on sen alueen pinta-ala, joka jää käyrän f(x), suorien x = a ja x = b sekä x-akselin väliin? Tuloksen antaa funktion määrätty integraali välillä [a, b]. Kyseinen ala A voidaan laskea, kun jaetaan alue kuvan C.1 mukaisesti pieniin alueisiin Ai ja summataan alat yhteen: x=b x n A = ∑ Ai Kuva C.1: Funktion f(x) integraali (C.1) i=0 Kuvan C.2 mukaisesti kutakin alaa Ai voidaan approksimoida suorakaiteella, joista toisen pinta-ala on suurempi ja toisen pienempi kuin ala Ai: y i−1 x i − x i−1 Ai y i x i − x i−1 y = f(x) yi yi-1 Kun annetaan xi :n lähestyä xi-1:tä, lähestyvät yi-1 ja yi arvoa f(xi). Samalla summan (C.1) termien määrä lähestyy ääretöntä. Kun merkitään Ai = dA, f(xi) = f(x) ja (xi -xi-1) = dx, saadaan pinta-ala integraalista (kuva C.3) b xi-1 A = ∫ dA = ∫ f x dx xi (C.2) a Kuva C.2 y y=f(x) ∫ f x dx = F xC A x=a Yhtälön (C.2) oikea puoli voidaan laskea, jos tunnetaan funktion f(x) integraalifunktio F(x). Integraalifunktio on määritelmän mukaan funktio, jolle F'(x) = f(x), ts. integrointi on derivoinnille käänteinen operaatio. Tällöin x=b x Kuva C.3 (C.3) missä C on mielivaltainen vakio. Kun integraalifunktio tunnetaan, voidaan yhtälön (C.2) mukainen pinta-ala laskea lausekkeesta b ∫ f x dx = F b − F a (C.4) a LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 72 Mielivaltaisen funktion määrätty integraali voidaan aina laskea yhtälön (C.4) mukaisesti, mutta integraali antaa kuvan C.3 mukaisen pinta-alan vain, jos f(x) ≥ 0 integroimisvälillä. Mielivaltaisen funktion integraalifunktion löytäminen voi olla hyvin hankalaa, jopa mahdotonta. Seuraavaan taulukkoon on koottu joidenkin yksinkertaisten funktioiden integraalifunktiot. Funktio f(x) Integrointi ∫ Cdx Vakio = C Cx n Integraalifunktio F(x) Cx ∫ Cx n dx C n1 x n1 sin θ ∫ sin θ dθ −cos θ cosθ ∫ cos θ dθ sin θ C,n vakioita 1 x dx x ∫ ln∣x∣ ∫ e x dx e f x g x ∫ f x g x dx ∫ f x dx∫ g x dx f x n f ´ x ∫ f x n f ´ xdx 1 f xn1 n1 e x f ´x f x ∫ f ´ x dx f x x ln∣ f ( x)∣ Taulukko C.1 Eräiden funktioiden integraalifunktioita Esimerkkejä integroinnista: y=a2 x 2−4 x 3 => ∫ ydx = ∫ a dx + ∫ 2 x 2 dx − ∫ 4 x 3 dx = ax + 2 3 4 x − x +vakio 3 y=3 sin => π π ∫ y d θ =3∫ sin θ d θ = 3 0 0 π / −cos θ 0 = −3(cos(π)−cos(0)) = −3(−1−1)=6 LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 73 LIITE D : Vektorit D.1 Vektorit Q Vektorisuure (kuva D.1) merkitään painetussa tekstissä usein lihavoiden: A , mutta myös muita merkintöjä voi käyttää: A, A tai PQ . Vektorin A pituus on skalaarisuure ja voidaan merkitä joko A tai │A│. Vektoriin liittyy aina myös suunta (kulma) θ, joka mitataan valitun vertailusuunnan suhteen. Kulma θ > 0, kun se mitataan vastapäivään ja θ < 0, kun se mitataan myötäpäivään. Suuntakulma on aina joko 0° ≤ θ ≤ 360˚ (0 ≤ θ ≤ 2π radiaania) A P θ<0 θ>0 Vertailusuunta Kuva D.1: Vektori ja vektorin suuntakulma tai -180° ≤ θ ≤ 180° (- π rad ≤ θ ≤ π rad). A Huomaa, että kuvan D.1 vektori kuvaa vektorisuuretta A pisteessä P. B D.2 Vektorialgebraa Kuva D.2: Vektorien yhtäsuuruus 1: Vektorit A ja B ovat yhtä suuret (kuva D.2), jos vektorien pituudet ovat samat ja lisäksi vektorit ovat samansuuntaiset, ts. jos A = B ja A ↑↑ B . a 2: Vektorit a ja b ovat vastavektoreita (kuva D.3), a = - b , jos vektoreiden pituudet ovat samat ja lisäksi vektorit ovat vastakkaissuuntaiset, ts a = b ja a ↑↓ b. b Kuva D.3: Vastavektorit 3: Vektorien yhteenlasku. Vektorit lasketaan yhteen graafisesti piirtämällä vektorit peräkkäin suuntansa säilyttäen. Summavektori on vektori, joka alkaa ensimmäisen vektorin alkupisteestä ja päättyy viimeisen vektorin kärkeen (kuva D.4): C =AB=BA B A B (D.1) C = summavektori l. resultantti. B Kuva D.4 Vektorisumma Vektorien yhteenlaskussa summausjärjestyksellä ei ole merkitystä. Summavektorin pituudelle pätee epäyhtälö: ∣A − B∣∣A B∣A B Minimi saavutetaan, kun A ja B ovat vastakkaissuuntaiset ja maksimi, kun vektorit ovat samansuuntaiset. Vektorisumma voidaan helposti yleistää mielivaltaisen monelle vektorille (kuva D.5): A C A B A A R B D D A C D B C C Kuva D.5 Vektorisumman yleistys LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 74 R=ABC D A A -B B (D.2) 4: Vektorien vähennyslasku tehdään lisäämällä vektoriin vähennettävän vektorin vastavektori (kuva D.6): C =A−B=A−B C (D.3) Kuva D.6 Vektorien vähennyslasku Esimerkki D.1: Vektorit A ja B ovat yhtä pitkät ja suunnat kuvan mukaiset. Määrää vektorien A + B ja A - B suunta ja suuruus. (1,88 A vaakasuoraan; 0,68 A pystysuoraan) A 20° -20° B 5: Nollavektori. Jos vektori vähennetään itsestään, saadaan vektori, jonka pituus on nolla ja suunta epämääräinen. Jos A = B, niin C =A−B=0 (D.4) 0 on nollavektori. Esimerkki D.2: Olkoon vektorin A pituus 3 m ja sitä vastaan kohtisuorassa olevan vektorin B pituus 4 m. Tiedetään, että A + B + C = 0. Määrää vektorin C pituus ja suunta vektorin A suhteen. (5 m; -127°) 6: Vektorin kertominen vakiolla k muuttaa vektorin pituuden k-kertaiseksi (kuva D.17): A 10A C =k A (D.5) -8A Jos k > 0, vektorit C ja A ovat samansuuntaiset, C↑↑A, mutta jos k < 0, vektorit ovat vastakkaissuuntaiset, C ↑↓ A. Jos kerroin k = 0, Kuva D.7 Vektorin kertominen on tuloksena nollavektori. vakiolla 7: Yksikkövektori on vektori, jonka pituus on yksi. Yksikkövektori voidaan muodostaa jakamalla vektori pituudellaan: 0 A = LUT/Mafy A A (D.6) Mekaniikan perusteet 75 Yksikkövektori ilmoittaa vektorin suunnan ja sen avulla vektorin pituus ja suunta voidaan erottaa toisistaan: A=A A0 (D.7) D.3 Vektori suorakulmaisessa koordinaatistossa Yksikkövektorien avulla mielivaltainen vektori voidaan jakaa komponentteihin ja kirjoittaa koordinaattiakselien suuntaisten komponenttivektorien summana. Suorakulmaisessa koordinaatistossa x-, y- ja z-akselien suuntaisia yksikkövektoreita merkitään kirjaimin i, j ja k. Paikkavektori r ilmaisee pisteen (x, y, z) paikan avaruudessa: y r =x i y j z k (x,y) y r (D.8) yj Usein riittää, kun määritellään pisteen paikka (x, y)- tasossa (kuva D.8): θθ j r =x i y j x xi x i Kuva D.8 Paikkavektori (D.9) Pisteen etäisyys origosta on r: r =x y 2 2 (D.10) Paikkavektorin suuntakulma x-akselin suhteen on θ: tan = y A θ Acosθ x = r cos y = r sin j Kuva D.9 Vektori xy - tasossa x (D.12) Nyt paikkavektori (D.9) voidaan kirjoittaa muotoon r = r cos i r sin j LUT/Mafy (D.11) Pisteen koordinaatit voidaan lausua suuntakulman θ ja etäisyyden r avulla seuraavasti (r ja θ määrittelevät paikan napakoordinaatistossa): Asinθ i y x (D.13) Mekaniikan perusteet 76 Edellä olevat tulokset voidaan välittömästi yleistää koskemaan mielivaltaista vektoria A . Vektori voidaan kirjoittaa muodossa A = A x i A y j Az k (D.14) A = A2x A2y A2z (D.15) Vektorin A pituus on Tason vektorin A = Ax i + Az j x- ja y- akselin suuntaiset komponentit ovat (kuva D.9): A x = A cos A y = A sin (D.16) ja suuntakulma x- akselin suhteen tan θ = Ay Ax (D.17) Esimerkki D.3: Vektorin A pituus on 12 ja suuntakulma θ = 112° . Kirjoita vektorin yhtälö suorakulmaisessa koordinaatistossa. (A = - 4,5 i +11 j) D.4 Vektorien yhteen- ja vähennyslasku suorakulmaisessa koordinaatistossa Vektorit lasketaan yhteen summaamalla koordinaattiakselien suuntaiset komponentit. Vektorien A = A x i A y j Az k ja B = B x i B y j B z k summa on C = A B= A x B x i A y B y j Az B z k (D.18) Vastaavasti vektorien erotus on LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 77 D= A − B= A x − B x i A y − B y j A z − B z k (D.19) Yhtälöt (D.18) ja (D.19) voidaan välittömästi yleistää mielivaltaisen monelle vektorille. Esimerkki D.4: Ratkaise esimerkin D.2 tehtävä suorakulmaisessa koordinaatistossa. D.5 Vektorien pistetulo Kahden vektorin A ja B (kuva D.10) välinen piste- eli skalaaritulo määritellään yhtälöllä A A⋅B= ABcos θ B (D.20) θ on vektorien A ja B välinen kulma. Kuva D.10 Skalaaritulolla on seuraavat ominaisuudet: 1: Vektorin pistetulo itsensä kanssa on yhtä suuri kuin vektorin pituuden neliö: A⋅A= A2 (D.21) 2: Jos A∙B = 0, eikä kumpikaan vektoreista A ja B ole nollavektori, ovat vektorit kohtisuorassa toisiaan vastaan. 3: Kohdista 1 ja 2 sekä yksikkövektorin määritelmästä seuraa, että suorakulmaisessa koordinaatistossa yksikkövektorien väliset pistetulot ovat: i⋅i= j⋅ j=k⋅k =1 , i⋅ j=i⋅k = j⋅k =0. (D.22) Tästä seuraa, että vektorien A = Ax i + Ay j + Az k ja B = Bx i + By j + Bz k pistetulo on A⋅B= Ax B x A y B y A z B z (D.23) Vektorien A ja B välinen kulma voidaan laskea pistetulon avulla. Koska A∙B = AB cos θ, on vektorien välinen kulma cos = LUT/Mafy A B A y B y Az B z A⋅B = x x AB AB (D.24) Mekaniikan perusteet 78 Vektorin A pituus vektorin B suunnassa (kuva D.11) on pistetulon avulla lausuttuna A 0 θ A B = A cos θ = A⋅B = B AB Kuva D.11 Vektorin A pituus vektorin B suunnassa A⋅B B (D.25) missä B0 on vektorin B suuntainen yksikkövektori. Esimerkki D.5: Vektorien A ja B välinen kulma on θ. Osoita, että summavektorin C = A + B pituuden neliö on C2 = A2+B2 + 2AB cos θ. D.6 Vektorien ristitulo Kahden vektorin risti- eli vektoritulo C (kuva D.12) määritellään yhtälöllä A×B C =A×B=AB sin θ n0 B θ A (D.26) n0 B×A Kuva D.12: Vektoreiden A ja B ristitulo Kuva D.13: Ristitulovektorin suunta Ristitulo on aina kohtisuorassa tulon tekijöinä olevia vektoreita vastaan: C ⊥ B sekä C ⊥ A. Siten ristitulo on A ja B- vektoreiden määräämän tason normaalin suuntainen ja yhtälössä (D.26) esiintyvä vektori n0 on tason normaalin suuntainen yksikkövektori. Ristitulovektorin suunnan tason suhteen voi selvittää esim. ruuvisäännöllä: Kuvitellaan ruuvi, jota kierretään kiinni (myötäpäivään). Jos (ristitulon vasemmanpuoleista) vektoria A kierretään samalla lyhintä tietä kohti (oikean puoleista) B-vektoria, on vektori C ruuvin kärjen suuntainen. Vaihtoehtoisesti suunnan saa selville ns. oikean käden säännöllä: Jos oikean käden etusormi on vektorin A suuntainen ja keskisormi vektorin B suuntainen, osoittaa peukalo ristitulovektorin suunnan (kuva D.13). Huomaa, että ristitulovektorin suunta riippuu järjestyksestä, jossa vektorit kerrotaan keskenään: A×B=−B× A (D.27) Lisäksi, jos A∥B , A×B = 0. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 79 Ristitulon itseisarvo voidaan tulkita kahdella tavalla. Vektorin A vektoria B vastaan kohtisuoran komponentin An itseisarvo on (kuva D.14) A sinθ, jolloin A A sin θ θ ∣A×B∣ = BAsin θ = An B B (D.28) Vastaavasti B:n A:ta vastaan kohtisuoran komponentin Bn itseisarvo on (kuva D.15) B sinθ, joten yhtä lailla Kuva D.14 B A θ sin ∣A×B∣ = ABsin θ = A Bn (D.29) θ Ristitulon itseisarvolle on myös geometrinen tulkinta: Kahden vektorin ristitulon itseisarvo on yhtä suuri kuin sen suunnikkaan pinta-ala, jonka sivuina vektorit ovat. B Kuva D.15 z Ristitulon C = A×B suunta voidaan selvittää myös suorakulmaisen koordinaatiston avulla. Vektorit A, Bn ja C tai vastaavasti An, B ja C ovat toisiinsa samassa suhteessa kuin suorakulmaisen koordinaatiston yksikkövektorit i, j ja k (kuva D.16). C i k j An A B θ x Kuva D.16 Ristitulo suorakulmaisessa koordinaatistossa D.7 Vektorin derivaatta Tarkastellaan esimerkkinä paikkavektoria r = x(t)i + y(t)j. Paikkavektorin derivaatta ilmoittaa kappaleen nopeuden. Jos oletetaan, että koordinaattiakselien suunta ei muutu ajan funktiona, on paikkavektorin derivaatta d r t dx t dy t = i j dt dt dt (D.30) Mielivaltaisen ajasta riippuvan vektorin derivaatta lasketaan vastaavalla tavalla. LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 80 Esimerkki D.6: Kappaleen paikkaa ajan funktiona kuvaa paikkavektori r(t) = t2i + 4tj m Paikkavektorin derivaatta (kappaleen nopeus v(t)) on v t = d r t = 2 t i 4 j m/ s dt D.8 Vektorin integrointi Oletetaan, että kappaleen nopeutta kuvaa paikkavektorin derivaatta v t = v x t i v y t j . Jos koordinaattiakselien suunta ei muutu ja ajanhetkellä t0 kappale on pisteessä r(t0) = r0, niin kappaleen paikka r mielivaltaisella ajanhetkellä t saadaan määrätystä integraalista r [ ] [∫ v y t dt j [∫ ] [∫ v y t dt j t t ∫ d r= ∫ v x t dt r0 t0 i t0 ] (D.31) ] (D.32) kappaleen paikka hetkellä t on siis t r = r 0 t v x t dt i t0 t0 Esimerkki D.7: Jos kappaleen nopeutta kuvaa vektori v(t) = 2ti + 4j m/s, niin missä kappale on mielivaltaisella hetkellä t, kun se hetkellä t = 0,0 s oli koordinaatiston origossa? Ratkaisu: Yhtälön D.32 mukaan [ r = r0 t ∫ v x t dt t0 ][ i t ∫ v y t dt t0 ] [ ] [ ] t j = 0 i0 j ∫ 2 t dt t i 0 ∫ 4 dt j = t2 i 4t j m 0 D.9 Käyrän vektoriesitys, parametriesitys ja käyrän yhtälö Kappaleen liikettä tasossa voidaan kuvata usealla eri tavalla. Jos kappale liikkuu (x, y)- koordinaatistossa (kuva Virhe: Viitteen lähdettä ei löydy), sen liikettä kuvaa ratakäyrän yhtälö y = f(x). Kappaleen paikka ajan funktiona voidaan antaa myös paikkavektorin r avulla, jolloin kyseessä on kappaleen liikkeen vektoriesitys: y3 y2 r = x(t)i + y(t) j; y1 Mikäli tarkastellaan erikseen kappaleen liikettä x- ja yakselin suhteen saadaan liikkeen parametriesitys y y = f(x) r(t) x1 x2 x3 x Kuva D.17 Kappaleen ratakäyrä LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 81 x = x t y = y t Huomaa, että liikkeen ratakäyrän yhtälö ei anna mitään tietoa kappaleen paikasta tietyllä ajanhetkellä, mutta tämä tieto saadaan molemmista muista esitystavoista. Esimerkki D.8: Esimerkissä D.7 kappaleen paikkaa kuvasi yhtälö r(t) = t2i + 4tj m. Mikä on kappaleen rataa kuvaava yhtälö? Ratkaisu: Radan parametriesitys on x t = t 2 y t = 4 t Eliminoidaan yhtälöryhmästä aika t, jolloin saadaan rataa kuvaava yhtälö y = 4 x LUT/Mafy Mekaniikan perusteet 82 LIITE E: Tenttipaperin liitteenä jaettavat yhtälöt Etenevä liike Δ ⃗r Δt v⃗k = v = d r dt Δ v Δt ak = a= d v dt Pyörimisliike Δx Δt vk = dx dt v= ak = Δv Δt dv dt a= x = x0 v 0 t k = = d dt k = t = 1 2 at 2 t = s r at = dv = r dt d dt = 0 0 t 1 2 t 2 v = v 0 at = 0 t v 2 = v 20 2 a x 2 = 20 2 v = r ar = v2 r at = dv dt v2 = r 2 r ar = = m F a ⃗ =⃗r × F ⃗ M M =l F N FG = m g =−k x F J = ∑ mi r 2i M =Jα J = J mkp + m d 2 i=1 Fμ = μ N ⋅s W =F Ek = W = F x Δx W = M Δθ 1 2 mv 2 Ek = W = ΔE k Pk = ΔW Δt Ep = m g y LUT/Mafy 1 I ω2 2 W = ΔE k P= dW dt Ep = P= ⃗ F⋅⃗v P= dW dt P=Mω 1 2 kx 2 Mekaniikan perusteet 83 N ∑ mi x i x mkp = i=1 m ⃗p = m ⃗v ⃗L = ⃗r×m ⃗v ⃗ = d ⃗p F dt ⃗ ⃗ =dL M dt ⃗I = F ⃗ Δt L= l m v L=Jω Δ L = M Δt ⃗I = Δ ⃗p Hitausmomentteja (massakeskipisteen kautta kulkevan akselin suhteen) Ohut tanko: J= 1 ml 2 12 l Rengas/ohutseinäinen sylinteri: J = mR 2 Ympyrälevy/umpinainen sylinteri: Pallonkuori: J = 2 mR 2 3 Umpinainen pallo: J= Steinerin sääntö: J= 1 mR 2 2 R 2 mR 2 5 R J P = J mkp + m d 2 d JP Jmkp LUT/Mafy Mekaniikan perusteet
© Copyright 2024