Kitka ja Newtonin lakien sovellukset
Transcription
Kitka ja Newtonin lakien sovellukset
Kitka ja Newtonin lakien sovellukset Haarto & Karhunen www.turkuamk.fi Tavallisimpia voimia: • Painovoima G • Normaalivoima, Tukivoima N • Jännitysvoimat T • Kitkavoimat f s ja f k • Voimat yleisesti F www.turkuamk.fi Vapaakappalekuva • Kuva, joka sisältää kaikki kappaleeseen vaikuttavat ulkoiset voimat • Kuvaan ei piirretä niitä voimia, joilla kappale itse vaikuttaa ympäristöönsä • Jokaisesta erillisestä kappaleesta piirretään oma vapaakappalekuva • Kappaleen kiihtyvyyden suunta myös kuvaan www.turkuamk.fi Kappale kaltevalla tasolla a www.turkuamk.fi Kitka • Kappaleen liikettä vastustava vuorovaikutus ympäristön kanssa (pinta, neste, kaasu), kitkavoima • Mahdollistaa liikkumisen • Usein kitkavoima on verrannollinen pintoja toisiaan vastaan puristavasta voimasta, normaalivoimasta, N • Tällöin kitkavoima ei riipu pintojen suuruudesta www.turkuamk.fi Lepokitkavoima • Eli staattinen kitkavoima fs • Siirtämään pyrkivälle voimalle vastakkaissuuntainen f s s N f s ,max s N (lähtökitka) • μs = lepokitkakerroin (yksikötön) • N = normaalivoima www.turkuamk.fi Liikekitkavoima • alkaa vaikuttaa kappaleen lähdettyä liikkeelle f k k N • μk = liikekitkakerroin • μk < μs www.turkuamk.fi Likimääräisiä kitkakertoimen arvoja Ainepari μs μk Metalli-metalli (voideltu) 0,15 0,06 Kumi-asfaltti (kuiva) 0,8 0,6 Kumi-asfaltti (märkä) 0,6 0,5 Kumi-jää (kuiva) 0,2 0,15 Kumi-jää (märkä) 0,1 0,08 Lasi-lasi 0,94 0,40 Jää-jää 0,1 0,03 Teflon-teflon 0,04 0,04 www.turkuamk.fi Väliaineen vastus • Kappaleen liikkuessa nesteessä tai kaasussa, kappaleeseen törmäävät molekyylit ja paine-erot aiheuttavat siihen liikkeen suunnalle vastakkaisen vastusvoiman, jonka suuruus riippuu nopeudesta • Kun vastusvoima kumoaa kappaleeseen vaikuttavat muut voimat, niin on saavutettu rajanopeus vr www.turkuamk.fi Ilmanvastus suurilla nopeuksilla • Kappale liikkuu nopeasti kaasussa tai nesteessä aiheuttaen pyörteitä. • Vastusvoima on verrannollinen likimain nopeuden neliöön FD cD Av 1 2 2 • cD on kappaleen muodosta riippuva vastuskerroin • esim. pallolle 0,44, laskuvarjolle 1,4 ja henkilöautolle n. 0,3 • A on kappaleen poikkipinta-ala • ρ on väliaineen tiheys (ilmalle n. 1,3 kg/m3) www.turkuamk.fi • Putoava kappale saavuttaa rajanopeuden, kun liikettä vastustava voima ja noste kumoavat painovoiman vaikutuksen FD FN G 1 2 FD+FN cD Avr2 0 mg • Jos nostetta ei huomioida, niin rajanopeudeksi saadaan 2mg vr cD A G • Joten rajanopeus riippuu myös kappaleen koosta www.turkuamk.fi • Esimerkki: Kivipallon rajanopeus ilmassa • Kiven tiheys k = 2700 kg/m3 • Ilman tiheys = 1,2 kg/m3 • Vastuskerroin cD = 0,44 • Rajanopeus vr 8 k gr 2mg cD A 3cD • r on kivipallon säde r [mm] 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 vr [m /s] 115,66 36,57 11,57 3,66 1,16 0,37 0,12 www.turkuamk.fi Newtonin lakien soveltamisesta • Oletuksia ongelmien yksinkertaistamiseksi Kappaleet pistemäisiä, jolloin pyörimisliikettä ei tarvitse huomioida Kappaleiden väliset köydet ovat massattomia Pyörät, joiden yli köydet kulkevat, ovat massattomia ja kitkattomia Kappaleilla on yhtä suuri kiihtyvyys, joka voi olla nolla www.turkuamk.fi Ongelmien ratkaiseminen • Piirrä vapaakappalekuvat kaikista kappaleista • Selvitä kappaleiden kiihtyvyyksien suunnat • Muodosta vapaakappalekuvista Newtonin 2. lain mukaiset liikeyhtälöt (tai tasapainoyhtälöt) F ma m = tarkasteltava massa • Ratkaise tuntemattomat suureet muodostetuista liikeyhtälöistä • Tarkista tulosten mielekkyys www.turkuamk.fi • Muistettava, että kiihtyvyyden suuntaiset voimat ovat positiivisia (+) ja vastakkaissuuntaiset voimat negatiivisia (-) Newtonin 2. lain mukaisissa yhtälöissä. • Muistettava, että kitkavoima on aina vastakkaissuuntainen liikkeen suunnalle, mutta ei välttämättä kiihtyvyyden suunnalle! www.turkuamk.fi Esimerkki kitkakertoimien määrittämisestä • Laatikko lähtee kaltevalla tasolla liukumaan, kun kaltevuuskulma on 22 ja liukuu tällä kaltevuudella kiihtyvyydellä 2,2 m/s2. Laske liikeja lepokitkakertoimien arvot. www.turkuamk.fi N mg cos f k k N mg sin f ma k Yhdistetään edelliset yhtälöt ja saadaan mg sin k mg cos ma mg sin ma k mg cos mg sin ma mg cos a k tan g cos k 2,2 m/s 2 k tan 22 9,81 m/s 2 cos 22 Lepokitkakertoimen tilanteessa kiihtyvyys = 0 m/s2. mg sin s mg cos 0 s tan s tan 22 s 0,40 k 0,16 www.turkuamk.fi Esimerkki Newtonin lakien soveltamisesta • Laske kappaleiden kiihtyvyys ja niiden välinen jännitysvoima, kun ne lähtevät kitkattomasti levosta ja kun kappaleen m1 massa on 7,0 kg ja m2 massa on 3,0 kg. N a v T m1 m2 T a m1g m2g www.turkuamk.fi • Newtonin 2. lain mukaiset yhtälöt: N m1 g f N jos kitka olisi mukana k T m1a m2 g T m2a • Kaksi alimmaista yhdistämällä: m2 g m1a m2 a m2 g m1a m2 a m2 g (m1 m2 )a m2 g 3 kg 9,81 m/s 2 2,943 m/s 2 2,9 m/s 2 a m1 m2 7 kg 3 kg T m1a 7 kg 2,943 m/s 2 20,601 N 21 N www.turkuamk.fi