16.03.
Transcription
16.03.
Bevegelsesmengde og kollisjoner Flerpartikkelsystemer 16.03.2015 FYS-MEK 1110 16.03.2015 1 Midtveiseksamen: 26.03. kl.10 – 13 6 oppgaver av samme type som ukesoppgaver (ikke stor prosjektoppgave som i obligene) en oppgave krever et lite stykk Matlab eller Python kode (ikke et fullstendig program, bare den vesentlige delen) Tillate hjelpemidler (uten at det er behov…): Øgrim og Lian: Størrelser og enheter i fysikk og teknikk eller Angell, Lian, Øgrim: Fysiske størrelser og enheter: Navn og symboler Rottmann: Matematisk formelsamling Elektronisk kalkulator av godkjent type. Formelark i vedlegg Husk å forklare hva du gjør. FYS-MEK 1110 16.03.2015 2 Kollisjoner bevaring av bevegelsesmengde: p A,0 pB,0 p A,1 pB,1 elastisk kollisjon bevaring av energi 1 1 1 1 mAv A2 ,0 mB vB2 ,0 mAv A2 ,1 mB vB2 ,1 2 2 2 2 v A,1 (mA mB )v A,0 2mB vB ,0 vB ,1 mA mB (mB mA )vB ,0 2mAv A,0 mA mB fullstendig uelastisk kollisjon: v A,1 vB ,1 v A,1 vB ,1 uelastisk kollisjon: restitusjonskoeffisient: FYS-MEK 1110 16.03.2015 r mAv A,0 mB vB ,0 mA mB vB ,1 v A,1 v B , 0 v A, 0 3 Eksempel Hva er maksimal høyde h1 for ball B ? (vi antar at alle kollisjoner er elastisk) Fase 1: begge baller faller energibevaring: mgh0 1 2 mv0 2 v0 2gh0 Fase 2: ball A kolliderer med gulvet bevaring av energi og bevegelsesmengde: hastigheten snur v0 v0 Fase 3: ball A kolliderer med ball B momentant støt små impuls fra gravitasjon bevaring av bevegelsesmengde elastisk støt: bevaring av energi FYS-MEK 1110 16.03.2015 mAv0 mB v0 mAvA mB vB 1 1 1 1 mAv02 mB v02 mAv A2 mB vB2 2 2 2 2 4 bevaring av energi 1 1 1 1 mAv02 mB v02 mAv A2 mB vB2 2 2 2 2 mA (v02 v A2 ) mB (vB2 v02 ) mA (v0 vA )(v0 vA ) mB (vB v0 )(vB v0 ) bevaring av bevegelsesmengde: mAv0 mB v0 mAvA mB vB mA (v0 vA ) mB (v0 vB ) v0 v A vB v0 v A vB 2v0 vi setter inn: mA (v0 (vB 2v0 )) mB (v0 vB ) (3mA mB )v0 (mA mB )vB vB FYS-MEK 1110 3mA mB v0 mA mB 16.03.2015 hvis mA mB vB 3mA v0 3v0 mA 5 Eksempel Hva er maksimal høyde h1 for ball B ? (vi antar at alle kollisjoner er elastisk) Fase 1: begge baller faller energibevaring: mgh0 1 2 mv0 2 v0 2gh0 Fase 2: ball A kolliderer med gulvet bevaring av energi og bevegelsesmengde: hastigheten snur v0 v0 Fase 3: ball A kolliderer med ball B vB 3mA v0 3v0 mA Fase 4: begge baller spretter opp: energibevaring for ball B hB FYS-MEK 1110 16.03.2015 mB ghB 1 mB vB2 2 1 2 1 2 9 vB 9v0 2 gh0 9h0 2g 2g 2g 6 Ikke-sentralt støt vi kan velge et koordinatsystem slik at vB ,0 0 bevegelsen etter kollisjonen er todimensjonal i et plan dannet av v A,1 , vB ,1 hvis det virker ingen ytre krefter er bevegelsesmengde bevart: mAv A,0 mAv A,1 mB vB,1 vi kan se separat på x og y retning: mAv A,0, x mAv A,1, x mB vB,1, x mAv A,0, y mAv A,1, y mB vB,1, y hvis kollisjonen er elastisk er energi bevart: 1 1 1 mAv A2 ,0 mAvB2 ,0 mB vB2 ,1 2 2 2 3 ligninger, men 4 ukjente: v A,1, x , v A,1, y , vB,1, x , vB,1, y vi trenger mer informasjon om kreftene for a bestemme hastighetene etter kollisjonen. FYS-MEK 1110 16.03.2015 7 vi kan modellere kollisjonen: 2 kuler med radius R avstand mellom sentrene: r rB (t ) rA (t ) avstand mellom overflatene: r 2 R realistisk modell for kontaktkraft mellom kulene: (med dempning) N3L: Ffra A på B Ffra B på A N2L: 3 r k r 2 R 2 v F r 0 r 2 R r 2 R Ffra A på B mB aB Ffra B på A mAa A numerisk løsning: Euler-Cromer for begge kuler FYS-MEK 1110 16.03.2015 8 mA mB FYS-MEK 1110 16.03.2015 9 mA mB FYS-MEK 1110 16.03.2015 10 mA mB FYS-MEK 1110 16.03.2015 11 mA mB mA 5mB 1 mA mB 5 samme posisjoner ved t0 samme hastigheter ved t0 (vB,0 = 0) forskjellige masser FYS-MEK 1110 16.03.2015 12 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 Regn faller ned i en åpen vogn som triller på et rett, friksjonsfritt spor. Hastigheten til vognen vil A. B. C. D. øke være uforandret minke vet ikke massen øker med regn som samles i vogn hastigheten minker FYS-MEK 1110 16.03.2015 13 En regndråpe faller og adsorberer vanndamp før: p(t ) mv mu etter: p(t t ) (m m)(v v ) mv mv mv mv mv mv mv p p(t t ) p(t ) mv (v u )m Newtons andre lov: dp p v m Fext dt t m t (v u ) t for et kort tidsintervall og en kontinuerlig adsorpsjon: dp dv dm Fext dt m dt (v u ) dt relativhastighet vrel u v FYS-MEK 1110 16.03.2015 rakettligning dm F ext vrel dt ma 14 Rakett i verdensrom ingen ytre krefter gass strømmer ut med hastighet vrel relativ til raketten v dm dv Fext vrel dt m dt v ( t1 ) i x retning: dm dv vrel m dt dt dv 1 dm vrel dt m dt t1 t 1 dv 1 dm dt v dt rel t dt m dt t0 0 dv vrel v ( t0 ) m ( t1 ) dm m m ( t0 ) v(t1 ) v(t0 ) vrel ln m(t1 ) ln m(t0 ) m(t1 ) v(t1 ) v(t0 ) vrel ln m ( t ) 0 m(t0 ) v(t1 ) v(t0 ) vrel ln m(t1 ) masse blir mindre og hastighet øker FYS-MEK 1110 16.03.2015 15 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 En tankvogn triller på et rett, friksjonsfritt spor. Undersiden av vogn er utett slik at væsken renner ut. Hastigheten til vognen vil A. B. C. D. øke være uforandret minke vet ikke dp dv dm Fext dt m dt (v u ) dt væsken som renner ut har samme horisontalhastighet som vogn hastigheten til vogn forandrer seg ikke FYS-MEK 1110 16.03.2015 16 Flerpartikkelsystemer Fij F ji y ri system: N partikler rj F jext ext Fi d ri hastighet: vi (t ) dt bevegelsesmengde: pi (t ) mi vi (t ) posisjon: ri (t ) ext ytre kraft på partikler: Fi indre kraft fra partikkel j på partikkel i : F ji x net ext d pi F F F nettokraft på partikkel i : i i ji dt j i (N2L) net ext d bevegelse for hele systemet: Fi Fi Fji pi i i i j i i dt Fji Fij (N3L) ext d d F p i i dt i i dt P bevegelsesmengde for hele systemet: P pi mi vi i FYS-MEK 1110 16.03.2015 (N2L for et flerpartikkelsystem) i 17 1 R M Massesenter m r i i i eksempel: vi finner massesenteret separat for x og y retning: X Y 1 M mi xi 1 M m y i i i i ma 2ma 3ma 2a 3m ma ma ma a 3m R 2a iˆ a ˆj FYS-MEK 1110 16.03.2015 18 http://pingo.upb.de/ access number: 8178 Hva er massesenteret for dette systemet? A. B. C. D. E. xcm=1a xcm=3/2a xcm=5/4a xcm=13/8a Vet ikke X FYS-MEK 1110 1 M m x i i i 16.03.2015 y m 2m a 5m x a 2ma 5m2a 3 a 8m 2 19 Flerpartikkelsystem ext d i Fi dt P N2L: bevegelsesmengde: P pi mi vi i masse: i M mi i massesenter: 1 R M m r ii obs: R ri i d 1 hastighet: V R dt M i mi vi obs: V vi i i P pi mi vi MV i i d d2 1 akselerasjon: A V R dt dt 2 M m a ii i ext d d F P M V M A i i dt dt FYS-MEK 1110 16.03.2015 N2L for flerpartikkelsystem 20