Φυσική για Μηχανικούς

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Φυσική για Μηχανικούς"

Ευφρανωρ Γαλάνη
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Φυσική για Μηχανικούς Μηχανική Εικόνα: Ο πίνακας ελέγχου σε ένα πιλοτήριο βοηθά τον πιλότο να κρατά το αεροσκάφος υπό έλεγχο δηλ. να ελέγχει πόσο γρήγορα ταξιδεύει και σε ποια κατεύθυνση επιτρέποντάς του να το προσγειώσει με ασφάλεια. Ποσότητες που ορίζονται τόσο από το μέτρο τους όσο και από την κατεύθυνσή τους (όπως η ταχύτητα) λέγονται διανυσματικές ποσότητες. (Mark Wagner/Getty Images) Διανύσματα

2 Φυσική για Μηχανικούς Μηχανική Εικόνα: Ο πίνακας ελέγχου σε ένα πιλοτήριο βοηθά τον πιλότο να κρατά το αεροσκάφος υπό έλεγχο δηλ. να ελέγχει πόσο γρήγορα ταξιδεύει και σε ποια κατεύθυνση επιτρέποντάς του να το προσγειώσει με ασφάλεια. Ποσότητες που ορίζονται τόσο από το μέτρο τους όσο και από την κατεύθυνσή τους (όπως η ταχύτητα) λέγονται διανυσματικές ποσότητες. (Mark Wagner/Getty Images) Διανύσματα

3 Μετά τη μονοδιάστατη κίνηση, θα ήταν καλό να μεταβούμε σιγά σιγά στη δισδιάστατη κίνηση Κίνηση στο επίπεδο Στην κίνηση αυτή, τα διανύσματα είναι μερικώς απαραίτητα! Διάνυσμα ΟΑ: προσανατολισμένο ευθύγραμμο τμήμα Μέτρο Διεύθυνση Φορά Καρτεσιανές συντεταγμένες x τετμημένη y τεταγμένη Συμβολισμός: OA = (x, y)

4 Πολικές συντεταγμένες x = rcos θ, y = rsin θ όπου r = x 2 + y 2 θ = tan 1 y x (1,1) cos θ = x r sin θ = y r Χρειάζεται προσοχή! Παράδειγμα: (-1,-1) Βρείτε την πολική μορφή του διανύσματος με συντεταγμένες x, y = (1,1) και ύστερα αυτού με συντεταγμένες x, y = ( 1, 1).

5 Ιδιότητες διανυσμάτων Ισότητα διανυσμάτων Ίδιο μέτρο και κατεύθυνση Πρόσθεση διανυσμάτων Β D Α + Β C Β Α + Β Β Α Α Α

6 Ιδιότητες Αντιμεταθετικότητα Α + Β = Β + Α Προσεταιριστικότητα A + B + C = A + B + C B + C A + B B B Α Α

7 Αρνητικό διάνυσμα ενός διανύσματος Α Ορίζεται ως το διάνυσμα εκείνο που όταν προστεθεί στο Α, μας δίνει το μηδενικό διάνυσμα, δηλ. Α + Α = 0 Παράδειγμα: Πρόσθεση Α B = Α + B Ψάχνουμε ένα διάνυσμα που αν προστεθεί στο Β θα μας δώσει το Α Α Β Β A Β A Β Β Α

8 Πολλαπλασιασμός διανύσματος με αριθμό Το διάνυσμα διατηρεί τη διεύθυνση, αλλά αλλάζει (πιθανώς) η φορά, και το μέτρο του B = m A, m R B = m A B A, αν m > 0 B A, αν m < 0 Α 2Α 1 2 Α

9 Η γραφική μέθοδος είναι βολική για απλά ή διαισθητικά προβλήματα Για μεγαλύτερη ακρίβεια, προτιμούμε την ανάλυση σε συνιστώσες (μια κάθετη και μια παράλληλη στον x- άξονα)

10 Πολική μορφή A x = Acos θ, A y = Asin θ Α = A x 2 + A y 2, θ = tan 1 A y A x Προσοχή στον υπολογισμό της γωνίας θ!

11 Πολλές φορές εκφράζουμε σύνθετα διανύσματα με όρους μοναδιαίων διανυσμάτων Μοναδιαία διανύσματα ι, j, k Έχουν μέτρο 1 (μονάδα) Καθένα βρίσκεται επάνω σε έναν άξονα i x, j y, k z Κάθετα μεταξύ τους i j, j k, i k

12 Το διάνυσμα Α μπορεί να γραφεί ως Α = Α x i + A y j με χρήση των μοναδιαίων διανυσμάτων Διάνυσμα θέσης r = OA A Σημείο A(x, y) r = x i + y j Οι συνιστώσες του r είναι οι x i, y j.

13 R = Α + Β R = A x i + A y j + B x i + B y j R = A x + B x i + A y + B y j με R x = A x + B x R y = A y + B y Πρόσθεση όλων των x-συνιστωσών και όλων των y- συνιστωσών R = R x 2 + R y 2 = A x + B x 2 + (A y + B y ) 2 tan θ = R y R x = A y+b y A x +B x

14 Προσθήκη περισσότερων διαστάσεων Α = Α x i + A y j + Α z k Όμοια ακριβώς συλλογιστική!

15 Παράδειγμα: Ένα ρομπότ αεροδρομίου προχωρά 25m ΝA από το σημείο αφετηρίας του. Ο αλγόριθμος αναγνώρισης εμποδίων του το σταματά και το «στέλνει» 40m σε διεύθυνση 60 ο ΒΑ, όπου και βρίσκει τον πύργο ελέγχου του (Δείτε το σχήμα). A. Αναλύστε τις συνιστώσες του ρομπότ για κάθε κίνησή του. B. Ορίστε τις συνιστώσες της συνολικής μετατόπισης R του ρομπότ. Βρείτε μια έκφραση για το R με όρους μοναδιαίων διανυσμάτων. C. Τι θα συνέβαινε αν το ρομπότ έπρεπε να επιστρέψει στο σημείο αφετηρίας του, μετά την επαφή του με τον πύργο ελέγχου του; Ποιες συνιστώσες θα περιέγραφαν την πορεία του; Ποια θα ήταν η κατεύθυνση του ρομπότ;

16 Παράδειγμα - Λύση Ένα ρομπότ αεροδρομίου προχωρά 25m ΝA από το σημείο αφετηρίας του. Ο αλγόριθμος αναγνώρισης εμποδίων του το σταματά και το «στέλνει» 40m σε διεύθυνση 60 ο ΒΑ, όπου και βρίσκει τον πύργο ελέγχου του. (Δείτε το σχήμα) A. Αναλύστε τις συνιστώσες του ρομπότ για κάθε κίνησή του. A y j B y j A x i B x i

17 Παράδειγμα - Λύση Ένα ρομπότ αεροδρομίου προχωρά 25m ΝA από το σημείο αφετηρίας του. Ο αλγόριθμος αναγνώρισης εμποδίων του το σταματά και το «στέλνει» 40m σε διεύθυνση 60 ο ΒΑ, όπου και βρίσκει τον πύργο ελέγχου του. (Δείτε το σχήμα) B. Ορίστε τις συνιστώσες της συνολικής μετατόπισης R του ρομπότ. Βρείτε μια έκφραση για το R με όρους μοναδιαίων διανυσμάτων.

18 Παράδειγμα - Λύση Ένα ρομπότ αεροδρομίου προχωρά 25m ΝA από το σημείο αφετηρίας του. Ο αλγόριθμος αναγνώρισης εμποδίων του το σταματά και το «στέλνει» 40m σε διεύθυνση 60 ο ΒΑ, όπου και βρίσκει τον πύργο ελέγχου του. (Δείτε το σχήμα) C. Τι θα συνέβαινε αν το ρομπότ έπρεπε να επιστρέψει στο σημείο αφετηρίας του, μετά την επαφή του με τον πύργο ελέγχου του; Ποιες συνιστώσες θα περιέγραφαν την πορεία του; Ποια θα ήταν η κατεύθυνση του ρομπότ; φ R

19 Φυσική για Μηχανικούς Εικόνα: Στην εκτέλεση πέναλτι, ο ποδοσφαιριστής κτυπά ακίνητη μπάλα, με σκοπό να της δώσει ταχύτητα και κατεύθυνση ώστε να σκοράρει. Υπό προϋποθέσεις, η εκτέλεση μπορεί να ιδωθεί ως κίνηση σε δυο (αντί τρείς) διαστάσεις. Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις

20 Φυσική για Μηχανικούς Εικόνα: Στην εκτέλεση πέναλτι, ο ποδοσφαιριστής κτυπά ακίνητη μπάλα, με σκοπό να της δώσει ταχύτητα και κατεύθυνση ώστε να σκοράρει. Υπό προϋποθέσεις, η εκτέλεση μπορεί να ιδωθεί ως κίνηση σε δυο (αντί τρείς) διαστάσεις. Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις

21 Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις Είδαμε σε προηγούμενη διάλεξη την κίνηση σε μια διάσταση (οριζόντιος άξονας x) Θυμηθήκαμε τα διανύσματα και τις ιδιότητές τους Ας επεκτείνουμε τις ιδέες μας στο χώρο x-y Χώρος επιπέδου Θα κάνουμε εκτεταμένη χρήση διανυσμάτων αλλά και ανάλυσης σε συνιστώσες

22 Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις Στη μια διάσταση, μας αρκούσε ένα μονόμετρο μέγεθος (αριθμ. τιμή) για να ορίσουμε τη θέση ενός σωματιδίου με το πρόσημο να παίζει το ρόλο της διανυσματικής φοράς Στις δυο διαστάσεις, χρειαζόμαστε το διάνυσμα θέσης r Ξεκινά από το (0,0) και φτάνει ως τη θέση του σωματιδίου στο επίπεδο xy Mετατόπιση Δ r Διαφορά μεταξύ αρχικής και τελικής θέσης Δ r = r f r i

23 Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις Ορίζουμε τη Μέση Ταχύτητα σε ένα χρονικό διάστημα Δt: v avg = Δ r Δt Διάνυσμα με ίδια διεύθυνση και φορά με το Δ r Θυμηθείτε από την κίνηση σε μια διάσταση: u avg Δ x Δt Διάνυσμα ανεξάρτητο της διαδρομής!! Γιατί; Εξαρτάται μόνο από το Δ r Που εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική θέση του σωματιδίου

24 Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις Ας θεωρήσουμε ένα σωματίδιο που κινείται ανάμεσα σε 2 σημεία, Α και Β. Παρατηρούμε το σωματίδιο σε όλο και μικρότερα χρονικά διαστήματα (Β, Β, Β ) Η κατεύθυνση του Δ r πλησιάζει αυτήν της εφαπτομένης της καμπύλης στο σημείο Α.

25 Κίνηση σε Δυο Διαστάσεις Στιγμιαία Ταχύτητα v Η κατεύθυνση της σε οποιοδήποτε σημείο βρίσκεται στην εφαπτομένη της καμπύλης στο εκάστοτε σημείο Ταχύτητα u = v Θυμηθείτε: Δx u x lim = dx Δt 0 Δt dt Δr v = lim Δt 0 Δt = dr dt

26 Τέλος Διάλεξης

Σχετικά έγγραφα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Μηχανική Εικόνα: Ο πίνακας ελέγχου σε ένα πιλοτήριο βοηθά τον πιλότο να κρατά το αεροσκάφος υπό έλεγχο δηλ. να ελέγχει πόσο γρήγορα ταξιδεύει και σε ποια κατεύθυνση επιτρέποντάς του