Κεφάλαιο 3. Κίνηση σε δύο διαστάσεις (επίπεδο)

Transcript

1 Κεφάλαιο 3 Κίνηση σε δύο διαστάσεις (επίπεδο)

2 Κινηματική σε δύο διαστάσεις Θα περιγράψουμε τη διανυσματική φύση της θέσης, της ταχύτητας, και της επιτάχυνσης με περισσότερες λεπτομέρειες. Σαν ειδικές περιπτώσεις, θα μελετήσουμε: την κίνηση των βλημάτων και την ομαλή κυκλική κίνηση Εισαγωγή

3 Θέση και μετατόπιση Η θέση ενός σώματος περιγράφεται με το r διάνυσμα θέσης. Σημείο Α (, ) Την αρχική χρονική στιγμή t το σώμα βρίσκεται στη σημείο Α(, ) με διάνυσμα θέσης r i j r r Σημείο Β (, ) Την τελική χρονική στιγμή t το σώμα βρίσκεται στη σημείο B(, ) με διάνυσμα θέσης r i j Ενότητα Μ4.

4 Μετατόπιση Η μετατόπιση του σώματος ορίζεται ως η μεταβολή της θέσης του Δ r r r Δ r Μετατόπιση Δ r ή σε αλγεβρική μορφή r Δ r Δ i Δ j Δ όπου, Δ = είναι η οριζόντια μετατόπιση και Δ = είναι η κατοκόρυφη μετατόπιση Ενότητα Μ4.

5 Μέση ταχύτητα Η μέση ταχύτητα είναι ο λόγος της μετατόπισης προς το χρονικό διάστημα στο οποίο συμβαίνει η μετατόπιση. Η κατεύθυνση του διανύσματος της μέσης ταχύτητας είναι η κατεύθυνση του διανύσματος της μετατόπισης Δ r. a g Δ r Δt Ενότητα Μ4.

6 Στιγμιαία ταχύτητα Η στιγμιαία ταχύτητα είναι το όριο της μέσης ταχύτητας καθώς το Δt τείνει στο μηδέν. Δ r lim 0 Δt Δt d r dt Καθώς το χρονικό διάστημα γίνεται μικρότερο, η κατεύθυνση του διανύσματος της μετατόπισης προσεγγίζει την κατεύθυνση της εφαπτομένης της καμπύλης.

7 Στιγμιαία ταχύτητα : Ανάλυση σε και Η στιγμιαία ταχύτητα μπορεί να εκφραστεί σε αλγεβρική μορφή με τη βοήθεια των και συνιστωσών της i Αν είναι το μέτρο της ταχύτητας και η γωνία που σχηματίζει με τον άξονα, οι και συνιστώσες της ταχύτητας είναι d cos dt d sin dt j όπου, και tan

8 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Περιγραφή της κίνησης με γραφήματα ΛΥΣΗ Η κίνηση ενός σωματιδίου περιγράφεται από τις δύο εξισώσεις = t (m) και = (5t + 5) (m), όπου ο χρόνος t μετριέται σε s. α. Να σχεδιάσετε ένα γράφημα της τροχιάς του σωματιδίου β. Να σχεδιάσετε ένα γράφημα της ταχύτητας του σωματιδίου συναρτήσει του χρόνου. α. Η τροχιά είναι μια καμπύλη στο επίπεδο. Υπολογίζουμε τις τιμές των συντεταγμένων και σε διάφορες χρονικές στιγμές [π.χ.: για t = 3 s έχουμε = (3) m = 8 m και = (53 + 5) m = 0 m ] και φτιάχνουμε τον πίνακα t (s) (m) (m)

9 ΛΥΣΗ (συνέχεια) β. Το μέτρο της ταχύτητας δίνεται από την εξίσωση όπου (βλ. Παράρτημα Α, σελ. 69) και d dt d dt d dt d dt t 4t m/s d dt d dt 5t 5 5t 5 5 m/s Επομένως: (4t) (5) m/s 6t 5 m/s t (s) (m/s)

10 Μέση επιτάχυνση Η μέση επιτάχυνση ενός σωματιδίου ορίζεται ως η μεταβολή του διανύσματος της στιγμιαίας ταχύτητας προς το χρονικό διάστημα στο οποίο συμβαίνει η μεταβολή αυτή. a g Δ Δt (t t ) a g t t Μέση επιτάχυνση Δ Ενότητα Μ4.

11 Στιγμιαία επιτάχυνση Η στιγμιαία επιτάχυνση είναι το όριο του λόγου της μέσης επιτάχυνσης καθώς το Δt τείνει στο μηδέν. lim 0 Δt Δ Δt d dt Η στιγμιαία επιτάχυνση ισούται με την παράγωγο του διανύσματος της ταχύτητας ως προς τον χρόνο. Το διάνυσμα ταχύτητα της επιτάχυνσης είναι ο ρυθμός με τον οποίο μεταβάλλεται η ενός κινητού σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Ενότητα Μ4.

12 Στιγμιαία επιτάχυνση: Ανάλυση σε και Το διάνυσμα της επιτάχυνσης μπορεί να αναλυθεί σε εφαπτομενική (παράλληλη) και κάθετη συνιστώσα, και Η παράλληλη συνιστώσα σχετίζεται με τη μεταβολή του μέτρου της ταχύτητας Η κάθετη συνιστώσα σχετίζεται με τη μεταβολή της διεύθυνσης της ταχύτητας. Παράλληλη συνιστώσα Κάθετη συνιστώσα Οι συνιστώσες και μεταφέρουν χρήσιμες πληροφορίες αλλά η χρήση τους είναι δύσκολη διότι οι διευθύνσεις του αλλάζουν συνεχώς. Ενότητα Μ4. Στιγμιαία επιτάχυνση

13 Στιγμιαία επιτάχυνση: Ανάλυση σε και Το διάνυσμα της επιτάχυνσης μπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες παράλληλες προς τους άξονες και. και Επειδή i j βρίσκουμε Στιγμιαία ταχύτητα όπου d dt d dt d dt d i dt και j i d dt j Στιγμιαία επιτάχυνση Ενότητα Μ4.

14 Εξισώσεις της κινηματικής σε δύο διαστάσεις με σταθερή επιτάχυνση Όταν η επιτάχυνση είναι σταθερή στην κίνηση σε δύο διαστάσεις, μπορούμε να περιγράψουμε την κίνηση με μια σειρά εξισώσεων. Οι εξισώσεις αυτές είναι παρόμοιες με τις εξισώσεις της κινηματικής σε μία διάσταση. Η κίνηση σε δύο διαστάσεις μπορεί να αναλυθεί σε δύο ανεξάρτητες κινήσεις σε καθεμία από τις δύο κάθετες διευθύνσεις που συνδέονται με τους άξονες και. Οποιαδήποτε επίδραση στη διεύθυνση του άξονα δεν επηρεάζει την κίνηση στη διεύθυνση του άξονα. Ενότητα Μ4.

15 Όταν η επιτάχυνση είναι Εξισώσεις της κινηματικής σε δύο διαστάσεις με σταθερή επιτάχυνση () f i t είναι σταθερή, η σχέση της ταχύτητα συναρτήσει του χρόνου f t f f και μπορεί να αναλυθεί σε δύο ανεξάρτητες κινήσεις κατά τους i t i i άξονες και f i t f f i i t t i f Ενότητα Μ4.

16 Εξισώσεις της κινηματικής σε δύο διαστάσεις με σταθερή επιτάχυνση (3) Το διάνυσμα θέσης μπορεί επίσης να εκφραστεί ως συνάρτηση του χρόνου: r f r i i Δt Δt και μπορεί να αναλυθεί σε δύο ανεξάρτητες συνιστώσες κατά τους άξονες και f i i t i i r f t f f i i Δt Δt r i f i i Δt Δt i i f Ενότητα Μ4.

17 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Σχεδιασμός της τροχιάς μιας διαστημικής ακάτου ΛΥΣΗ Οι κατακόρυφοι προωθητήρες της διαστημικής ακάτου του διαστημοπλοίου Enterprise, της δίνουν επιτάχυνση 5.0 m/s προς τα πάνω. Οι οριζόντιοι προωθητήρες δίνουν επιτάχυνση 0 m/s προς τα εμπρός. Καθώς ξεκινά την κίνησή του το Enterprise, η άκατος ανάβει μόνο τους κατακόρυφους προωθητήρες. Σε χρόνο t = 3 s μετά την εκτόξευση, η άκατος θέτει σε λειτουργία και τους οριζόντιους προωθητήρες. Να σχεδιάσετε την τροχιά της ακάτου για τα πρώτα 6 s της πτήσης της. 5m/s t,,,, t,,,, 0m/s Δεδομένα t 0, 0, 0, 0, 0 = 0 0 = 0, 0 = 5.0 m/s 0 5.0m/s t =3.0 s, = 0 m/s, = 5.0 m/s t =6.0 s t 0, 0, 0, 0, 0 Ζητούνται και κάθε χρονική στιγμή t

18 ΛΥΣΗ (συνέχεια) Κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης της κίνησης, από t 0 = 0 ώς t = 3.0 s, έχουμε: στον -άξονα: = 0 = 0 στον -άξονα: Δt Δt t t - t t - t 0 (m) Δεδομένα t 0, 0, 0, 0, 0 = 0 0 = 0, 0 = 5.0 m/s t =3.0 s, = 0 m/s, = 5.0 m/s t =6.0 s Ζητούνται και κάθε χρονική στιγμή t Τη χρονική στιγμή t = 3.0 s η άκατος έχει φτάσε σε ύψος =,5 m και έχει πιάσει ταχύτητα = (Δt) = (3.0-0) = 5 m/s

19 ΛΥΣΗ (συνέχεια) Κατά τη διάρκεια των επόμενων 3 s, δηλαδή, από t = 3.0 s ώς t = 6.0 s, έχουμε: στον -άξονα: Δt t - t t - t t (m) Δt Δεδομένα t 0, 0, 0, 0, 0 = 0 0 = 0, 0 = 5.0 m/s t =3.0 s, =,5 m, = 5 m/s = 0 m/s, = 5.0 m/s t =6.0 s στον -άξονα:.5 5 Δt Δt t - t t - t t t (m)

20 ΛΥΣΗ (συνέχεια) Ερώτηση: ποιά είναι η ταχύτητα της ακάτου τη χρονική στιγμή t = 6.0 s ;

21 Κίνηση βλημάτων Το είδος της κίνησης σε δύο διαστάσεις, που θα περιγράψουμε στη συνέχεια, ονομάζεται κίνηση βλημάτων. Υποθέσεις στην κίνηση βλημάτων. Η κατακόρυφη επιτάχυνση είναι σταθερή (g = 9.80 m/s ) κατά τη διάρκεια της κίνησης. Κάτι τέτοιο ισοδυναμεί με το να υποθέσουμε ότι η Γη είναι επίπεδη. Η υπόθεση είναι λογική υπό την προϋπόθεση ότι η έκταση της κίνησης είναι μικρή σε σύγκριση με την ακτίνα της Γης.. Η επίδραση της αντίστασης του αέρα είναι αμελητέα. Με βάση αυτές τις υποθέσεις, η διαδρομή ενός βλήματος θα είναι παραβολή. Η διαδρομή ονομάζεται τροχιά. Ενότητα Μ4.3

22 Διάγραμμα κίνησης ενός βλήματος Ενότητα Μ4.3

23 Βεληνεκές και μέγιστο ύψος βλήματος Όταν αναλύουμε την κίνηση βλημάτων, δύο χαρακτηριστικά παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον: Το βεληνεκές R που είναι η οριζόντια απόσταση την οποία καλύπτει η τροχιά του βλήματος. Το μέγιστο ύψος h στο οποίο φτάνει το βλήμα στο ψηλότερο σημείο, η κατακόρυφη ταχύτητα είναι μηδενική). Ενότητα Μ4.3

24 Βεληνεκές ενός βλήματος (συνέχεια) Το μέγιστο βεληνεκές προκύπτει για γωνία = 45 o

25 0 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6.4 Μην το δοκιμάσετε αυτό Ένας κασκαντέρ ρίχνει ένα αυτοκίνητο από ένα γκρεμό ύψους h = 0 m με ταχύτητα = 0 m/s (7 km/h). Πόσο μακριά από τη βάση του γκρεμού προσγειώνεται το αυτοκίνητο; t 0, 0, 0, 0, 0 h g t,,,, ΛΥΣΗ Δεδομένα t 0 = 0 = 0 = 0 0 = h = 0 m, 0 = 0 = 0 m/s = 0, = - g =0 m Ζητούνται

26 0 ΛΥΣΗ (συνέχεια) t 0, 0, 0, 0, 0 h g t,,,, Στον άξονα έχουμε: = (t) = (t t 0 ) = (t 0) = 0 t Στον άξονα : Δt Δt h 0(t 0 h h g - t 0 ) g(t - t 0 ) gt (0m) t 9.80m/s.43s Και αντικαθιστώνταςστη σχέση = 0 t βρίσκουμε: = (0 m/s)(.43 s) = 8.6 m

27 0 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6.5 Το διάστημα που διανύει μια μπαλιά Μια μπάλα του ποδοσφαίρου ρίχνεται υπό γωνία θ, κάνει την παραβολική τροχιά της και πέφτει στο έδαφος. (α) Αν η μπάλα ρίχνεται υπό γωνία θ = 30, με ποιά ταχύτητα πρέπει να φύγει από το πόδι του ποδοσφαιριστή για να φτάσει σε απόσταση = 00 m; (β) Με ποιά γωνία (θ ma ) πρέπει να ριχτεί η μπάλα ώστε να φτάσει στη μέγιστη απόσταση ( ma ); ΛΥΣΗ (α) Δεδομένα 0 = 0 = 0 θ = 30 t 0 = 0 = 00 m = 0 m g t 0, 0, 0, t,,, 0, 0, Ζητούνται 0

28 ΛΥΣΗ (συνέχεια) g t 0, 0, 0, t,,, 0, 0, Οι και συνιστώσες της αρχικής ταχύτητα 0 είναι: 0 = 0 cosθ και 0 = 0 sinθ Στον άξονα έχουμε: = (t) = (t t 0 ) = ( 0 cosθ)t Στον άξονα : Δt Δt 0 0 gt 0 0 0sin (t - 0) g(t - 0) 0 0(t - t 0 ) g(t - t 0 ) 0 sin t 0 gt 0 sin t t 0 sin g

29 ΛΥΣΗ (συνέχεια) Ο χρόνος t 0 sin g g t 0, 0, 0, t,,, 0, 0, είναι ο χρόνος πτήσης της μπάλας Αντικαθιστώντας το χρόνo t στη σχέση = ( 0 cosθ)t, βρίσκουμε 0 cos 0 sin g Μπορούμε να απλοποιήσουμε το αποτέλεσμα αν χρησιμοποιήσουμε την τριγωνομετρική σχέση sinθcosθ = sinθ (βλ. Παράρτημα Α, σελ 68) 0 sin g

30 ΛΥΣΗ (συνέχεια) g t 0, 0, 0, t,,, 0, 0, Λύνοντας τη σχέση 0 sin g ως προς 0, έχουμε: g 0 sin g sin 0 g sin 0 και αντικαθιστώντας τις τιμές, βρίσκουμε: (9.80m/s )(00m) 0 = 33.6 m sin60

31 ΛΥΣΗ (συνέχεια) g t 0, 0, 0, t,,, 0, 0, (β) Για να βρούμε γωνία θ ma για την οποία η απόσταση sin γίνεται g μέγιστη, παρατηρούμε ότι το είναι μέγιστο όταν είναι μέγιστο το sinθ, δηλαδή, όταν sinθ = 0 Όμως, sinθ =, όταν θ = 90, δηλαδή, θ = 45 Επομένως, 0 sin90 (33.6m/s) ma g 9.80m/s 5m

32 Ομαλή κυκλική κίνηση Ένα σώμα το οποίο κινείται σε κυκλική τροχιά με ταχύτητα σταθερού μέτρου, εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση. r Η ταχύτητα είναι (όπως πάντα) εφαπτόμενη στην κυκλική τροχιά. Το διάνυσμα της ταχύτητας σε όλα τα σημεία της τροχιάς έχει το ίδιο μήκος (σταθερό μέτρο). r r O r r r Εφόσον, όμως, μεταβάλλεται η κατεύθυνση της κίνησης (της ταχύτητας), υπάρχει επιτάχυνση. r Η επιτάχυνση αυτή,, είναι κάθετη στην ταχύτητα και ονομάζεται κεντρομόλος επιτάχυνση. Ενότητα Μ4.4

33 Κεντρομόλος επιτάχυνση Το μέτρο του διανύσματος της κεντρομόλου επιτάχυνσης δίνεται από τη σχέση r r Ενότητα Μ4.4

34 Περίοδος Η περίοδος T είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για μία πλήρη περιστροφή. Η περίοδος μετριέται σε s. Το μέτρο της ταχύτητας του σωματιδίου που εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση είναι ίσο με το πηλίκο της περιφέρειας της κυκλικής τροχιάς (είναι πr, βλ., Παράρτημα Α, σελ. 67) προς την περίοδο, = (πr)/t Επομένως, T π r Ενότητα Μ4.4

35 Συχνότητα Η συχνότητα f είναι o αριθμός των περιστροφών ανά δευτερόλεπτο Η συχνότητα είναι το αντίστροφο της περιόδου Η συχνότητα μετριέται σε μετριέται σε Hertz: Hz = /s = s -. f T Ενότητα Μ4.4

36 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Μια περιστρεφόμενη άτρακτος Μια άτρακτος διαμέτρου 4.0 m εκτελεί 400 στροφές το λεπτό (reolutions per minute ή rpm). Ποιά είναι η ταχύτητα ενός σημείου στην επιφάνειά της; ΛΥΣΗ Έχουμε για τη σχέση ταχύτητας - περιόδου πr T και για τη σχέση περιόδου συχνότητας Επομένως, πr f πr f T f Μετατρέπουμε τη συχνότητα από 400 rpm σε rps f = 400 στροφές/min = (400 στροφές) / (60 s) = 40 rps και αντικαθιστώντας, βρίσκουμε: V = (3.4)(4.0m)(40s - ) = 5.0 m/s

37 Ενότητα 7. Ασκηση 3 ΛΥΣΗ Η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς της γης γύρω από τον ήλιο είναι.5 0 km. Να βρείτε (α) το μέτρο της ταχύτητας με την οποία η γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο και (β) το μέτρο της κεντομόλου επιτάχυνσής της. (α) Η ταχύτητα είναι πr T Η περίοδος περιστροφής της γης γύρω από τον ήλιο είναι 365 μέρες ή (365 μέρες)(4 h/μέρα) = 8760 h Επομένως, πr T 3.4 ( h km) km h ή km h (β) Η κεντρομόλος επιτάχυνση είναι r r ( km/h) km km 7700 h

38 Ενότητα 7. Ασκηση 5 Για να αντέξουν τις «δυνάμεις g», δηλαδή σε επιταχύνσεις μέχρι και 0g, που οφείλονται στην έξοδο του αεροπλάνου από μια απότομη βουτιά, οι πιλότοι των μαχητικών αεροσκαφών εκπαιδεύονται σε έναν «ανθρώπινο φυγοκεντρητή». Τα 0g είναι επιτάχυνση 0(9.80 m/s ) = 98 m/s. Αν το μήκος του βραχίοντα του φυγοκεντριτή είναι m, με τι ταχύτητα κινείται ο επιβάτης του όταν υφίσταται τα 0g; ΛΥΣΗ r r r r r r (98m/s )(m) 34.3m/s ή 3km/h ΤΕΛΟΣ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ