Dinamika
Tevékenységek
Olyan problémát javasolnak, amely lehetővé teszi az olvasó számára, hogy gyakoroljon egy részecske dinamikájához kapcsolódó összes szempontot.
A részecskét egy lényegében sűrített rugóból álló eszköz indítja el. Először a részecske csúszik egy vízszintes síkon. Ezután egy hurokba megy, majd ha sikerül leírni a göndörséget, akkor egy ferde síkra megy.
Feltételezzük, hogy a részecske, valamint a vízszintes és ferde síkok között van súrlódás, de a hurokban nincs súrlódás a számítás egyszerűsége érdekében.
Fizikai alapismeretek
Ebben a szakaszban elemezzük azokat a szakaszokat, amelyekben a hurok felosztható
Vízszintes sík A-B
Ha a rugót egy távolságra összenyomjuk x majd az A helyzetben elengedjük, kiszámíthatjuk a részecske sebességét a hurok B bemeneténél, az energiaegyensúly egyenleteit alkalmazva.
Az A helyzetben a részecskének csak rugalmas potenciális energiája van
Lény k a rugó rugalmas állandója, amely kinetikus energiává alakul át a B helyzetben
Az AB úton az energia elvész a súrlódás miatt
Hol x+0,7 az A és B pont közötti távolság.
A részecske mozgásának részletesebb elemzését a "Részecske mozgása a rugóval érintkezve" részben találjuk.
Hurok
Ha a részecskék sebessége a C helyzetben kisebb, mint egy minimális érték, akkor nem írja le a hurkot.
A körmozgás dinamikájának egyenleteiből megvan az
Lény NC a normál C hőmérsékleten, vagy a sín által a részecskére gyakorolt erő ebben a helyzetben. A minimális sebességet akkor kapjuk meg, amikor NC= 0.
. Azután
- Ha a szög nagyobb, mint 90є vagy p/2.
A q szöget a körmozgás dinamikája és az energia megőrzésének elve alapján számítják ki.
A részecske akkor szűnik meg érintkezni a hurokkal, amikor a normál erő nulla., N= 0. Ennélfogva
Ebben a pillanatban a részecske a saját súlyának egyedüli ereje alatt mozog, görbe vonalú mozgást ír le a gravitáció állandó gyorsulása vagy parabolikus lövés alatt.
A tengelyeket a hurok közepére helyezzük. Az indítási helyzet, amint az a fenti ábrán látható, az
A kezdeti sebességek az indításkor
A "Kör és parabolikus pálya" részben részletesen elemezzük a mozgások ezen érdekes kombinációját.
Az 1. és a 2. helyzetben a részecske ugyanazzal a sebességgel tér vissza B pozícióba, amellyel belépett a hurokba, mivel ahogy említettük, a huroknak nincs súrlódása.
Ferde sík
Ha a részecske leírja a hurkot, akkor sebességgel lép be a ferde síkba Ön amelyet az energiatakarékosság elvének felhasználásával számolnak
A síkra kerülve a mobil a ferde sík mentén lévő súlyösszetevő és a súrlódási erő miatt fékez. A részecske megtesz egy távolságot x a ferde sík mentén, amíg meg nem áll.
Az energiaegyensúly vagy a egyenes vonalú mozgás egyenletei lehetővé teszik számításunkat x.
Az energiamérleg alkalmazása WDE = EE-ED tisztázzuk x. |
Példák
Rugóállandó k= 500 N/m
Hurok sugara R= 0,5 m
Súrlódási tényező μ= 0,2
A részecske tömegét beállítottuk m= 1 kg
Megvizsgáljuk a rugó összenyomásakor jelentkező különböző helyzeteket x.
A rugó összenyomva van x= 0,24, amikor az egérmutatót a kis vörös négyzeten működtetjük, amely egy tömeg részecskét képvisel m= 1 kg.
Az a sebesség, amellyel eléri a B pontot, a kör alakú pálya kezdete
A részecske a kör alakú pálya legmagasabb C pontján halad át
Térjen vissza a B pontba, a körpálya alsó részébe azonos sebességgel vB= 5,01 m/s, vagy szögsebessége = ω= 10,02 rad/s.
Sebességgel éri el a ferde 30є pálya D pontját
Kiszámoljuk a részecske maximális D elmozdulását a ferde sík mentén
A rugó most összenyomódott x= 0,2 m
Az a sebesség, amellyel eléri a B pontot, a kör alakú pálya kezdete
A részecske addig csúszik a kör alakú pályán, amíg a sebesség nulla vagy a reakció meg nem történik N nulla lesz. Ebben az esetben a második helyzetet elemezzük
Sebessége v ebben a helyzetben az
A részecske egy parabolát ír le, amíg össze nem ütközik a kör alakú pálya aljával.
A rugó most összenyomódott x= 0,1 m
Az a sebesség, amellyel eléri a B pontot, a kör alakú pálya kezdete
A részecske addig csúszik lefelé a körpályán, amíg a sebesség nulla
Ugyanazzal a sebességgel halad visszafelé a kör alakú pálya B részén, a B alsó szakaszon, mivel nincs súrlódás, a vízszintes pályán csúszik, és elérheti A-t, vagy korábban megállhat.
A részecske nem éri el az A pozíciót, távolabb áll meg
Állványok 47 cm távolságra B-től mérve vagy 70-47 = 23 cm távolságig A-tól mérve.
Tevékenységek
Amikor a részecske az origónál van, az egérmutatót a piros részecskére helyezzük, lenyomva a bal egérgombot, a részecskét meghúzzuk, és a rugót összenyomjuk x kívánatos. Ezután elengedi a bal egérgombot. A részecske elkezd mozogni a hurok felé.
A kísérlet újbóli megismétléséhez helyezze a részecskét az origóra az elnevezésű gomb megnyomásával Rajt.
A gomb címmel Szünet a mozgás pillanatnyi leállítására szolgál, amely akkor folytatódik, amikor ugyanazt a most megnevezett gombot ismét megnyomják Folytasd. A gombra kattintva Átadta a részecske helyzetét minden egyes időintervallumban, lépésről lépésre figyeljük meg.
A következő paraméterek módosíthatók:
- A rugalmas állandó értéke k a dokkból, a szerkesztő vezérlőben Rugóállandó.
- Súrlódási együttható a szerkesztés vezérlőben Súrlódási tényező, bizonyos határokon belül (0–0,7). 0 beírásával feltételezzük, hogy nincs súrlódás. Csak a vízszintes és ferde pályákon van súrlódás, de a körön nincs súrlódás.
- A hurok sugara a szerkesztés vezérlőben Hurok sugara, a 0,2–0,5 m határon belül.
- A részecske tömegét 1 kg-ra állítottuk be
A program rugalmas, és lehetővé teszi számunkra, hogy a dinamikában leírt szituációk többségét gyakoroljuk:
- Az egyenletesen gyorsított egyenes vonalú mozgás dinamikája (ferde sík)
- A körmozgás dinamikája (hurok)
- Energiatakarékosság (hurok)
- Energiamérleg, ha nem konzervatív erők hatnak, a súrlódási erő (ferde és vízszintes sík)
Az egérmutatóval húzza balra a kis piros négyzetet
A részecske mozgása a rugóval érintkezve
A rugót egy helyzetbe tömörítjük x0 majd elengedték. A részecske két erő hatására csúszik:
a rugó által kifejtett erő kx
a mozgalommal szemben álló súrlódási erő μmg
Ha a maximális rugó összenyomás értéke x0, a részecske elmozdul, ha kx0> μmg, különben egyensúlyban marad abban a helyzetben.
A mozgás egyenlete az
Ennek a differenciálegyenletnek a megoldása az
x=NAK NEKsen (ωt)+Bcos (ωt)+μg/ω 2
Az állandók NAK NEK Y B a kezdeti feltételek alapján kerülnek meghatározásra: pillanatnyilag t= 0, x = x0 Y dx/dt= 0
Két eset fordulhat elő:
1.-A részecske megáll, mielőtt elérné az origót
2.-Hogy a részecske eléri az eredetet x= 0, végsebességgel v
A részecske pillanatnyilag megáll t = π/ω, álláspontod az
Ahhoz, hogy túllépje az eredetet, ezt teljesítenie kell x0> 2μg/ω 2
Energia szempontjából ugyanarra a következtetésre jutunk. Csak akkor, ha a rugóban tárolt energia nagyobb, mint a súrlódási erő, a részecske meghaladja az eredetet
Az a sebesség, amellyel eléri az origót x= 0 van
Ugyanaz az eredmény, amelyet az energiamérleg alkalmazásával kapunk: A súrlódási erő munkája megegyezik a végső és a kezdeti energia különbségével
Most megvizsgáljuk a második helyzetet: A részecske sebességgel tér vissza az origóhoz v0 és nyomja össze a rugót
A mozgás egyenlete az
Ennek a differenciálegyenletnek a megoldása az
x=NAK NEKsen (ωt)+Bcos (ωt)-μg/ω 2
Az állandók NAK NEK Y B a kezdeti feltételek alapján kerülnek meghatározásra: pillanatnyilag t= 0, x =0 és dx/dt=v0
A részecske leáll v= 0 pillanatban t
A trigonometrikus összefüggések figyelembevétele
A részecske végső helyzetére a következő kifejezésre jutunk
Ugyanaz az eredmény, amelyet az energiamérleg alkalmazásával kapunk: A súrlódási erő munkája megegyezik a végső és a kezdeti energia különbségével
Kör és parabolikus út
A részecske körutat ír le, ha a hurok alsó részén a sebesség az
A részecske akkor csúszik vissza, amikor
Amikor a sebesség v0 a két érték között van, a részecske áthúzódik a hurkon, leír egy parabolikus mozgást, ütközik a hurkon és újra áthúzódik a hurkon, az ábra szerint.
Ennek a komplex mozgásnak az elemzéséhez az origót a hurok közepére helyezzük, és megmérjük az X tengelytől számított szögeket, és az X tengelyre helyezzük a potenciális energia nulla szintjét.
Szögletes helyzetben θ1 a részecske megszűnik érintkezni a hurokkal, a reakcióval N Semmis
A körmozgás dinamikájának egyenlete és az energia megőrzésének elve meg van írva
Mindkét egyenletet egyesítve meghatározzuk a szög értékét θ1
A P1 megérkezése után leírja a parabolikus mozgást, a részecske sebessége és helyzete
Ütközik a hurokkal a P2 pontban, amely a parabola és a sugár kör metszéspontja. R. Emlékeztetve arra, hogy egy kör egyenlete, amikor a középpontja a koordináták kezdőpontjában van, az
x 2 + y 2 = R2
Figyelembe véve, hogy a körmozgás dinamikája
A következő egyszerűsített kifejezéshez jutunk el
A részecske repülési ideje, amíg össze nem ütközik a hurokkal
A P2 ütközési pont helyzete és a részecske sebessége megegyezik
Az ütközés után feltételezzük, hogy a sebesség normál komponense megszakad, és a részecske a sebesség tangenciális komponensével csúszik a hurok felett.
A sebesség normál komponensét a skaláris szorzat számítja ki r2v2
A helyzetvektor modul r2 a P2 pont a sugara R kerülete
A részecske végső energiája a P2 ütközési pontban
Az ütközés helyén az energia kisebb, mint a részecske energiája az indítási pontban
Az ábra a parabolikus pályákat mutatja, amelyeket a részecske követ, a kezdeti sebesség különböző értékeire v0 a hurok alján.
Hivatkozások
Gorielay A., Boulanger P, Leroy J., Játékmodellek: Az ugró inga. Am. J. Phys. 74 (9), 2006. szeptember, pp. 784-788
- Viola Davis fekete színésznőként először dolgozom paróka nélkül Hírességek, Vips S Moda EL
- Külföldön vagyok és elvesztettem az állásomat, mit tehetek SWI
- Burnout szindróma az új foglalkozási betegség- csatornaSalud
- A napi rutin csecsemővel és munkával kompatibilisek az Anya történeteivel; s
- Váltás és éjszakai munka: 3 - A kanyarodáshoz kapcsolódó patológia