KUL-49.3100 Laskuharjoitus 5
Transcription
KUL-49.3100 Laskuharjoitus 5
Kul-49.3100 Dynamiikka II Harjoitus 5 HUOM! 16.10.2015 (KOTITEHTÄVÄ) = palauta viimeistään 16.10 klo 12.00 kurssin postilaatikkoon. 1. (KOTITEHTÄVÄ) Kuvan mukainen vaakasuoralla tasolla oleva homogeeninen ympyräsylinteri (säde R, massa m, hitausmomentti IC = mR2 /2) on kiinnitetty kitkattomasti akselistaan C kiinteään seinään lineaarisella jousella (jousivakio k, jousivoima nolla, kun xC = 0). Systeemi on konservatiivinen. Määritä systeemin Lagrangen funktio ja liikeyhtälö, kun sylinteri vierii liukumatta. VIHJE: Katso ratkaisuohje laskareiden lopusta. (2 p.) Vastaus: liikeyhtälö on (3/2)mẍC + kxC = 0. 2. (KOTITEHTÄVÄ) Tarkastellaan oheisen kuvan mukaista kitkatonta massa-jousi-heiluri systeemiä. Muodosta systeemin potentiaalienergian lauseke ja Lagrangen funktio, kun yleistettyinä koordinaatteina ovat kuvan x ja θ. Systeemin vaunun massa on M ja sauva on massaton ja venymätön (pituus l) ja siihen on kiinnitetty partikkeli (massa m). Systeemin jousien jousivakio on k ja ne ovat levossa kun x = 0. g x M k k θ l m Vastaus: L = mgl cos θ 1 M ẋ2 2 + 1 m(ẋ2 2 2 2 2 + 2ẋlθ̇ cos θ + l θ̇ ) − kx + 3. (KOTITEHTÄVÄ) Tarkastellaan kuvan kahdesta partikkelista (massat m1 ja m2 ), köydestä ja pyörästä koostuvaa systeemiä. Köysi on venymäton (köyden pituus L=vakio), massaton ja liukumista pyörän ja köyden välillä ei tapahdu. Määritä systeemin Lagrangen funktio ja liikeyhtälö, kun yleistettynä koordinaattina on kuvassa esitetty x. Pyörän massa on m, hitausmomentti massakeskipisteen suhteen IC = mR2 /2 ja laakerointi oletetaan kitkattomaksi. Vastaus: liikeyhtälö on ( 12 m + m1 + m2 )ẍ − (m2 − m1 )g = 0 4. Homogeeninen vauhtipyörä, jonka massa on m, asetetaan heilumaan kuvan esittämällä tavalla pystytasossa. Kirjoita vauhtipyörän liikeyhtälö käyttäen Lagrangen menetelmää, kun yleistettynä koordinaattina on kulma θ. Vauhtipyörän hitausmomentti pisteen A kautta kulkevan pyörää vastaan kohtisuoran akselin suhteen on vakio IA . Käytä Lagrangen funktiota. 5. Määritä kuvan mukaisen kahden vapausasteen jousi-tankosysteemin liikeyhtälöt Lagrangen menetelmällä, kun heilahtelut ovat pieniä (sin θ ≈ θ ja cos θ ≈ 1). Kummankin jousen jousivakio on k ja tangon pituus on 2L ja massa m. Tehtävässä ei tarvitse huomioida painovoimaa.