RATKAISUT: 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä
Transcription
RATKAISUT: 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä
Physica 9 RATKAISUT 2. painos 1(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä RATKAISUT: 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä 9.1 a) Hitausmomentti on suure, joka kuvaa kappaleen pyörimishitautta, toisin sanoen sitä, miten vaikea kappaleen pyörimistä on muuttaa. b) Systeemin pyörimismäärä säilyy, jos systeemiin vaikuttava ulkoinen kokonaismomentti on nolla ΣM = 0. c) Pyörimisliikkeen peruslain mukaan pyörivään kappaleeseen vaikuttava kokonaismomentti määrää kappaleen kulmakiihtyvyyden ΣM A = J A α . 9.2 Kappaleen massa on m =1,2 kg, sylinterin massa ms = 2,7 kg ja putoamismatka s = 0,60 m. Koska akseli on hyvin laakeroitu, mekaaninen energia säilyy. Punnuksen potentiaalienergia alussa on yhtä suuri kuin punnuksen liike-energian ja sylinterin pyörimisenergioiden summa lopussa Ep,alku = Et,loppu + Er,loppu . Valitaan potentiaalienergian nollataso punnuksen loppukorkeuden tasolle. Tällöin punnus on aluksi korkeudella h, joten mgh = 1 2 1 mv + J ω 2 . 2 2 1 2 Sylinterin hitausmomentti akselinsa suhteen on J = ms r 2 . Koska lanka on venymätön, langan kukin piste liikkuu samalla nopeudella kuin punnus. Siten sylinterin kehäpisteen ratanopeus langan irtoamiskohdassa on sama kuin punnuksen nopeus. Koska kulmanopeuden ω ja kehäpisteen ratanopeuden v välillä on yhteys ω = vr , sama yhteys on voimassa myös punnuksen etenemisnopeuden ja sylinterin kulmanopeuden välillä. Sijoittamalla v = ω r energiayhtälöön saadaan mgh = 1 2 1 1 v mv + ⋅ ms r 2 ( ) 2 2 2 2 r mgh = 1 (2m + ms )v 2 . 4 Ratkaistaan nopeus ja sijoitetaan lukuarvot v= 4mgh = 2m + ms m ⋅ 0,60 m m m s2 = 2,3537 ≈ 2,4 . s s 2 ⋅1,2 kg + 2,7 kg 4 ⋅1,2 kg ⋅ 9,81 Vastaus: Kappaleen nopeus on 2,4 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät m . s Physica 9 RATKAISUT 2. painos 2(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä 9.3 Voima on F1 = 23 N, säteet r1 = 13 cm ja r2 = 17 cm. (Huom. kirjan 1. painoksessa tehtävässä on vahingossa annettu F2). Isomman osan massa on m1 = 1,2 kg ja pienemmän m2 = 0,80 kg, ja kulmakiihtyvyys on α = 35 1 . s2 a) Hitausmomentti on sylintereiden hitausmomenttien summa. J = J1 + J 2 = = 1 1 m1r12 + m2 r2 2 2 2 1 1 ⋅ 0,8 kg ⋅ (0,13 m) 2 + ⋅1,2 kg ⋅ (0,17 m) 2 2 2 = 0,00676 kgm2 + 0,01734 kgm2 = 0,0241 kgm2 ≈ 0,024 kgm2. b) Kappaleeseen vaikuttavat voimat F1 ja F2 sekä tukivoima N ja paino G . Pyörimisliikkeen perusyhtälö ∑ M = Jα . Olkoon momenttien positiivinen suunta vastapäivään. Silloin F2 r2 − F1r1 = J α F2 = J α + F1r1 . r2 Sijoitetaan lukuarvot 1 0,0241 kgm 2 ⋅ 35 + 23 N ⋅ 0,13 m s F2 = = 22,55 N ≈ 23 N 0,17 m Vastaus: a) Hitausmomentti on 0,024 kgm2. b) Voima on 23 N. 9.4 a) Koska maapalloon vaikuttava ulkoinen momentti on häviävän pieni, pyörimisnopeus ja akselin suunta pysyvät likimain samoina pyörimismäärän säilymislain perusteella. b) Kun vauhtipyörän akselin suuntaa vaihdetaan, täytyy avaruusaluksen kääntyä, jotta pyörimismäärä säilyisi. c) Rekkitangolla roikkuvan urheilijan hitausmomentti on suurempi kuin sykkyrässä kieppuvan urheilijan. Jotta pyörimismäärä säilyisi, tulee kulmanopeuden kasvaa. Vastaavasti kulmanopeus pienene, kun urheilija suoristaa itsensä permannolle tullessa. d) Taipuisan sauvan ansiosta systeemin (nuorallakävelijä + sauva) painopiste laskeutuu, jolloin nuorallakävelijän on helpompi pysyä narulla. Riittävän taipuisan ja päästä painavan sauvan avulla painopiste saadaan nuoran alapuolelle. Pitkällä sauvalla on suuri hitausmomentti, jolloin systeemin pyöriminen ei muutu helposti. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 3(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä e) Pyörimismäärän säilymislain mukaan. Jotta systeemin pyörimismäärä pysyisi samana (= nolla), tulee osien liikkua vastakkaisiin suuntiin. Kävelijä kallistaa (kääntää) sauvaa oikealle eli samaan suuntaan, johon hän alkaa kaatua. Tämän seurauksena kävelijän vartalo kääntyy vastakkaiseen suuntaan pyörimislain säilymislain kuvaamalla tavalla. alkaa kaatua heilauttaa sauvaa kaatumissuuntaan, jolloin heilahtaa itse vastakkaiseen suuntaan 9.5 Hitausmomentin määrittäminen voidaan perustaa sekä pyörimisen perusyhtälön että mekaanisen energian säilymislakien soveltamiseen. Tapa 1: Kiinnitetään pyörä akselistaan telineeseen. Kierretään pyörän kehälle kevyttä lankaa ja ripustetaan siihen punnus. Annetaan punnuksen pudota levosta lähtien tietty aika. Mitataan pyörän saama kulmakiihtyvyys α, joka on vakio, koska momentti on vakio. Mitataan, kuinka pitkän matkan s punnus putoaa sovitussa ajassa t. Putoava punnus on tasaisesti kiihtyvässä etenemisliikkeessä ja pyörä tasaisesti kiihtyvässä pyörimisliikkeessä. Newtonin II liikelain ja pyörimisliikkeen peruslain mukaan ΣF = ma ΣM = J α . Punnukseen vaikuttaa painovoima G ja langan tukivoima T . Koska lanka on kevyt ja venymätön, lanka vaikuttaa polkupyörän kehään yhtä suurella voimalla T. Kuvassa esitettyjen positiivisten suuntien mukaan saadaan yhtälöt punnuksen eteneminen: mg − T = ma pyörän pyöriminen: Tr = J α . © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 4(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä Koska punnuksen kiihtyvyys a on sama kuin pyörän ulkoreunan pisteen tangenttikiihtyvyys at ja toisaalta at = rα, kulmakiihtyvyyden ja punnuksen kiihtyvyyden välillä on yhteys α= a . r Siten Tr = J a Tr 2 ja pyörän hitausmomentti on J = . a r Toisaalta punnuksen liikeyhtälöstä saadaan T = mg − ma = m( g − a) , joten hitausmomentti on J= Tr 2 m( g − a ) r 2 g = m( − 1)r 2 . = a a a Koska punnus on tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä, ajassa t se etenee matkan s s= 2s 1 2 at , joten punnuksen kiihtyvyys on a = 2 . t 2 Hitausmomentilla saadaan siten lauseke J = m( gt 2 − 1)r 2 . 2s Kun mitataan aika t, matka s, massa m ja säde r, hitausmomentti saadaan lasketuksi. Tapa 2: Pannaan pyörä vierimään kaltevaa tasoa alaspäin. Mekaaninen energia säilyy. Ep,alku = Et,loppu + Er,loppu mgh = 1 2 1 mv + J ω 2 2 2 Vierimisehdon mukaan pyörän etenemisnopeuden v ja kulmanopeuden ω välillä on yhteys v = rω, joten mgh = v 1 2 1 mv + ⋅ J ( ) 2 . r 2 2 Ratkaistaan pyörän hitausmomentti v 2mgh − mv 2 = J ( ) 2 r J= 2mgh − mv 2 . v ( )2 r Koska pyörä on tasaisesti kiihtyvässä etenemisliikkeessä, sen keskinopeus on © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT vk = 2. painos 5(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä v + v0 v s = = , 2 2 t josta pyörän nopeudeksi saadaan v= 2s . t Pyörän pystysuoraan kulkema matka saadaan yhtälöstä h = s ⋅ sin θ . Kun mitataan h, m, s, t ja r, voidaan hitausmomentti laskea. 9.6 a) Pyörimismäärä L = J ω säilyy. 2 5 Tähteä voidaan pitää homogeenisen pallona, jolloin sen hitausmomentti on J = mr 2 . Kun tähti luhistuu neutronitähdeksi, tähden säde voi pienentyä alle tuhannesosaksi. Tällöin sen hitausmomentti pienentyy miljoonasosaksi. Pyörimismäärän säilymisestä seuraa, että pyörimisnopeus voi kasvaa jopa yli miljoonakertaiseksi. b) Hyppääjän pyörimismäärä on vakio. Hyppääjään ei kohdistu ulkoisten voimien momenttia. Jotta hyppääjä pystyisi kääntämään jalkojaan, hänen on käännettävä ylävartaloaan vastakkaiseen suuntaan. c) Kun luoti pyörii pituusakselinsa ympäri, se säilyttää suuntansa paremmin kuin luoti, joka ei pyöri. Luodilla on akselinsa suuntainen pyörimismäärä. Koska pyörimismäärä säilyy, säilyy sekä sen suunta että suuruus. Siksi pyörivän luodin suunta pysyy paremmin samana kuin pyörimättömän luodin suunta. 9.7 a) Kiekon halkaisija on d = 4,7 cm, tason kaltevuuskulma α = 23° ja matka s =1,5 m. Mekaaninen energia säilyy, koska tason ja kiekon välinen kitka ei tee työtä. Ep,alku = Et,loppu + Er,loppu mgh = 1 2 1 mv + J ω 2 2 2 Vierimisehdon mukaan kiekon etenemisnopeuden v ja kulmanopeuden ω välillä on yhteys v = rω. mgh = gh = 1 2 1 1 2 v 2 mv + ⋅ mr ( ) r 2 2 2 1 2 1 1 2 v 2 3 2 v + ⋅ r ( ) = v r 2 2 2 4 © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT v= 2. painos 4 gh = 3 4 ⋅ 9,81 6(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä m ⋅1,5 m ⋅ sin 23D m m s2 = 2,7688 ≈ 2,8 . 3 s s b) Mekaaninen energia säilyy, jos liukuvaan kiekkoon ei kohdistu kitkaa. Ep,alku = Et,loppu mgh = 1 2 mv 2 v = 2 gh = 2 ⋅ 9,81 m m m ≈ 3,4 . ⋅1,5 m ⋅ sin 23D = 3,3910 s2 s s Vastaus: a) Kiekon nopeus on 2,8 m . s b) Kiekon nopeus on 3,4 m . s 9.8 a) Kappaleiden massat ovat mB = 0,10 kg ja mC = 0,30 kg. Sylinterin massa on m = 0,20 kg ja säde r = 0,10 m. Sylinteriin vaikuttaa sen paino G , lankojen voimat FB ja FC sekä tukivoima FA . Kappaleeseen B vaikuttaa sen paino GB ja langan tukivoima FB . Kappaleeseen C vaikuttaa sen paino GC ja langan tukivoima FC . Kuvassa on esitetty kappaleisiin vaikuttavat voimat ja valittu positiivinen suunta. Newtonin II lain ja pyörimisen peruslain mukaan saadaan yhtälöt kappale C: GC − FC = mC a eli mC g − FC = mC a kappale B: FB − GB = mB a eli FB − mB g = mB a Sylinteri: FC r − FB r = J Aα ( FC − FB )r = J Aα ( FC − FB )r = 1 2 mr α 2 Kappaleilla on samansuuruinen kiihtyvyys a. Sylinterin kehän pisteellä on sama ratakiihtyvyys, joka on sen tangenttikiihtyvyys at . Toisaalta at = rα ja siten a = rα . Sijoitetaan kulmakiihtyvyyden lauseke α = © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät a sylinterin liikeyhtälöön r Physica 9 RATKAISUT 2. painos ( FC − FB )r = FC − FB = 7(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä 1 2a mr 2 r 1 ma . 2 Lasketaan yhteen yhtälöt mC g − FC = mC a FB − mB g = mB a FC − FB = 1 ma , 2 saadaan 1 mC g − mB g = mC a + mB a + ma . 2 Siten kiihtyvyys on a= = mC − mB g 1 mC + mB + m 2 0,30 kg − 0,10 kg m m m ⋅ 9,81 2 = 3,924 2 ≈ 3,9 2 . 1 s s s 0,30 kg + 0,10 kg + ⋅ 0, 20 kg 2 b) Kulmakiihtyvyys on m 3,924 2 at a 1 1 s α= = = = 39,24 2 ≈ 39 2 . s s 0,10 m r r c) Voimat ovat FC = mC g − mC a = 0,30 kg ⋅ (9,81 m m − 3,924 2 ) = 1,7658 N ≈ 1,8 N. 2 s s FB = mB g + mB a = 0,10 kg ⋅ (9,81 m m + 3,924 2 ) = 1,3734 N ≈ 1,4 N. s2 s Vastaus: a) Kiihtyvyys on 3,9 m . s2 b) Kulmakiihtyvyys on 39 1 . s2 c) Voimat ovat 1,8 N ja 1,4 N. 9.9 Vesiämpärin massa on m = 12 kg, puutukin halkaisija d = 2r = 18 cm, tukin ja kammen kokonaishitausmomentti J = 0,028 kgm2, kitkamomentti M = 1,4 Nm ja putoamismatka h = 3,2 m. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 8(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä Energiaperiaatteen mukaan kitkamomentin tekemä työ on yhtä suuri kuin systeemin mekaanisen energian muutos. Kitkamomentin tekemä työ on negatiivinen, koska se pienentää systeemin mekaanista energiaa. − M Δϕ = ΔEk + ΔEp − M Δϕ = 1 2 1 mv + J ω 2 − mgh 2 2 Puutukin kiertymä on Δϕ = h v ja kulmanopeus ω = . r r Sijoitetaan kiertymä ja kulmanopeus energiayhtälöön −M h 1 2 1 v 2 = mv + J ( ) − mgh r 2 2 r 1 2 1 J 2 h mv + v = mgh − M 2 r 2 2r v= h r = 1 J (m + 2 ) 2 r mgh − M m 3,2 m ⋅ 3,2 m − 1,4 Nm ⋅ 2 m m 0,090 m s = 6,5040 ≈ 6,5 . 2 1 0,028 kgm s s (12 kg + ) 2 2 (0,090 m) 12 kg ⋅ 9,81 Vastaus: Ämpärin nopeus on 6,5 m . s 9.10 Korkeusero on h1 = 0,95 m. Kun oletetaan vierimisvastus ja ilmanvastus hyvin pieniksi, voidaan soveltaa mekaanisen energian säilymislakia. Siten pallon mekaaninen energia lähtöhetkellä ja lentoonlähtöhetkellä on sama. mgh1 = 1 2 1 mv + J ω 2 2 2 2 5 Pallon hitausmomentti on J = mr 2 . Pallo vierii, joten v = rω . Siten mgh1 = 1 2 1 2 2 v 2 mv + ⋅ mr ( ) r 2 2 5 mgh1 = 7 mv 2 10 Pallon nopeus irtoamishetkellä on v = 10 gh . 7 Tarkastellaan seuraavaksi lentoa ilmassa: Kun pallo lentää ilmassa, sen pyörimisellä ei ole merkitystä energiatarkastelussa. Koska ilmanvastus on häviävän pieni, mekaaninen energia säilyy. Siten pallon etenemisen liike-energia irtoamishetkellä on yhtä suuri kuin sen potentiaalienergia ylimmässä kohdassa. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1 2 mv = mgh2 2 Lentokorkeudeksi saadaan h2 = 10 gh 1 5h1 5 ⋅ 0,95 m v2 = = = = 0,68 m. 2g 7 7 ⋅ 2g 7 Vastaus: Pallo nousee korkeudelle 0,68 m. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät 2. painos 9(9) 9. Pyörimisen peruslaki ja pyörimismäärä