( ) ( ) ( ) Μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς. ( x, y,z) καρτεσιανό. !!z = h x, y,z. !! y = q. x = f. !! z = h

Σχετικά έγγραφα
( ) Απειροστές περιστροφές και γωνιακή ταχύτητα ( ) = d! r dt = d! u P. = ω! r

) = 0 όπου: ω = κ µε m-εκφυλισµό

Κίνηση στερεών σωμάτων - περιστροφική

( ) { } ( ) ( ( ) 2. ( )! r! e j ( ) Κίνηση στερεών σωμάτων. ω 2 2 ra. ω j. ω i. ω = ! ω! r a. 1 2 m a T = T = 1 2 i, j. I ij. r j. d 3! rρ. r! e!

Σ 1 γράφεται ως. διάνυσµα στο Σ 2 γράφεται ως. Σ 2 y Σ 1

( ) ( ) ( )! r a. Στροφορμή στερεού. ω i. ω j. ω l. ε ijk. ω! e i. ω j ek = I il. ! ω. l = m a. = m a. r i a r j. ra 2 δ ij. I ij. ! l. l i.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2013

( )U 1 ( θ )U 3 ( ) = U 3. ( ) όπου U j περιγράφει περιστροφή ως προς! e j. Γωνίες Euler. ω i. ω = ϕ ( ) = ei = U ij ej j

( ) Ολική στροφορμή L = p! i. L =! R M! v + ri m i vi. r i. q Ορίζουμε την θέση ενός σημείου I από το κέντρο μάζας: r! i

v = r r + r θ θ = ur + ωutθ r = r cos θi + r sin θj v = u 1 + ω 2 t 2

p& i m p mi i m Με τη ίδια λογική όπως αυτή που αναπτύχθηκε προηγουµένως καταλήγουµε στην έκφραση της κινητικής ενέργειας του ρότορα i,

Κεφάλαιο M4. Κίνηση σε δύο διαστάσεις

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ

ΦΥΣ Διαλ Κινηµατική και Δυναµική Κυκλικής κίνησης

Mηχανή Atwood µε κινούµενη τροχαλία

A! Κινηµατική άποψη. Σχήµα 1 Σχήµα 2

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΤΥΠΟΥ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΛΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

Νόµοι Newton: Μερικές ακόµα εφαρµογές

Hamiltonian φορμαλισμός

( ) Παράδειγµα. Τροχαλία. + ΔE δυν. = E κιν. + E δυν

!q j. = T ji Kάθε πίνακας µπορεί να γραφεί σαν άθροισµα ενός συµµετρικού και ενός αντι-συµµετρικού πίνακα

Δυναµική. ! F(δύναµη), m(µάζα), E(ενέργεια), p(ορµή),! Πως ένα σώµα αλληλεπιδρά µε το περιβάλλον του! Γιατί σώµατα κινούνται µε το τρόπο που κινούνται

Για τη συνέχεια σήμερα...

ΦΥΣ Διαλ Δυναµική

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 10-Μάη-2014

Ποια πρέπει να είναι η ελάχιστη ταχύτητα που θα πρέπει να έχει το τρενάκι ώστε να µη χάσει επαφή µε τη τροχιά στο υψηλότερο σηµείο της κίνησης; F N

Ανακεφαλαίωση. q Εισήγαμε την έννοια των δεσμών. Ø Ολόνομους και μή ολόνομους δεσμούς. Ø Γενικευμένες συντεταγμένες

Έργο Ενέργεια Παραδείγµατα

Αδρανειακά συστήµατα αναφοράς, µετασχηµατισµός Γαλιλαίου. Περιστρεφόµενα συστήµατα αναφοράς, δύναµη Coriolis

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 10-Μάη-2014

Μηχανική ΙI. Μετασχηµατισµοί Legendre. της : (η γραφική της παράσταση δίνεται στο ακόλουθο σχήµα). Εάν

( ) ( ) Hamiltonian φορμαλισμός. = L!q i. p i. q i. , p i = H. !p i. !q i, L q i, t S = L dt µεγιστοποιείται σε µια λύση της εξίσωσης κίνησης

ΦΥΣ. 211 ΕΡΓΑΣΙΑ # 8 Επιστροφή την Τετάρτη 30/3/2016 στο τέλος της διάλεξης

Κεφάλαιο M11. Στροφορµή

Α. Ροπή δύναµης ως προς άξονα περιστροφής

3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΒΡΑΧΙΟΝΩΝ

ΦΥΣ Διαλ Μη αδρανειακά συστήµατα Φαινοµενικό βάρος

Ορμή - Κρούσεις, ΦΥΣ Διαλ.19 1

Καρτεσιανό Σύστηµα y. y A. x A

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

Κέντρο µάζας. + m 2. x 2 x cm. = m 1x 1. m 1

Κίνηση με σταθερή επιτάχυνση, α(t) =σταθ.

Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν σαν σωστές (Σ) ή λάθος (Λ). Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές (Σ) και ποιες είναι λάθος (Λ).

ΜΕΡΟΣ Α! Κινηµατική άποψη

Αδρανειακά συστήµατα αναφοράς, µετασχηµατισµός Γαλιλαίου. Περιστρεφόµενα συστήµατα αναφοράς, δύναµη Coriolis

Κεφάλαιο 11 Στροφορµή

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ Σεπτέµβριος 2001 ΘΕΜΑ 1 Ένα φυσικό σύστηµα, ενός βαθµού ελευθερίας, περιγράφεται από την ακόλουθη συνάρτηση

Ροπή αδράνειας. q Ας δούµε την ροπή αδράνειας ενός στερεού περιστροφέα: I = m(2r) 2 = 4mr 2

ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ 1. ΘΕΜΑ Α Στις παρακάτω ερωτήσεις Α1-Α.5 να σημειώσετε την σωστή απάντηση

Φυσική Β Λυκειου, Γενικής Παιδείας 1ο Φυλλάδιο - Οριζόντια Βολή

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

Ενέργεια στην περιστροφική κίνηση

Οµάδα Ασκήσεων #3-Λύσεις

( ) ) V(x, y, z) Παραδείγματα. dt + "z ˆk + z d ˆk. v 2 =!x 2 +!y 2 +!z 2. F =! "p. T = 1 2 m (!x2 +!y 2 +!z 2

i) Σε κάθε πλήρη περιστροφή το κινητό Α διαγράφει τόξο ίσου µήκους µε το τόξο που διαγράφει το κινητό Β

ΕΡΓΑΣΙΑ 3 η. (αποστολή µέχρι ευτέρα 1/4/ βδοµάδα)

ΦΥΣ Διαλ Σύνοψη εννοιών. Κινηµατική: Περιγραφή της κίνησης ενός σώµατος. Θέση και µετατόπιση Ταχύτητα Μέση Στιγµιαία Επιτάχυνση Μέση

ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΛΑΣΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

Στροφορµή. ΦΥΣ Διαλ.25 1

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

Κεφάλαιο 8. Βαρυτικη Δυναμικη Ενεργεια { Εκφραση του Βαρυτικού Δυναμικού, Ταχύτητα Διαφυγής, Τροχιές και Ενέργεια Δορυφόρου}

Οµάδα Ασκήσεων #1-Λύσεις


Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα. ΔΙΑΛΕΞΗ 09 Ροπή Αδρανείας Στροφορμή

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2004

Παραµόρφωση σε Σηµείο Σώµατος. Μεταβολή του σχήµατος του στοιχείου (διατµητική παραµόρφωση)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙI Φεβρουάριος Απαντήστε και στα 4 θέματα με σαφήνεια και συντομία. Καλή σας επιτυχία.

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΦΥΣ Πριν αρχίσετε συµπληρώστε τα στοιχεία σας (ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητας).

ΦΥΣ Διαλ.12. Παράδειγμα Τάσεων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Ροπή και Στροφορµή Μέρος πρώτο


Χωρικές Περιγραφές και Μετασχηµατισµοί

εάν F x, x οµόρροπα εάν F x, x αντίρροπα B = T W T = W B

ΘΕΜΑ 1. Λύση. V = V x. H θ y O V 1 H/2. (α) Ακίνητος παρατηρητής (Ο) (1) 6 = = (3) 6 (4)

Σφαιρικά σώµατα και βαρύτητα

Αρµονικοί ταλαντωτές

Φυσική για Μηχανικούς

Ερωτήσεις που δόθηκαν στις εξετάσεις των Πανελληνίων ως

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. Μη αδρανειακά συστήµατα αναφοράς

ΦΥΣ Διαλ.27. Νόµος παγκόσµιας έλξης

, της οποίας το µέτρο ικανοποιεί τη σχέση:

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ 2016 Β ΦΑΣΗ Γ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ: ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΜΑΘΗΜΑ: ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ. ΕΡΩΤΗΣΗ Α1 Α2 Α3 Α4 ΑΠΑΝΤΗΣΗ δ β β γ.

( ) Κλίση και επιφάνειες στάθµης µιας συνάρτησης. x + y + z = κ ορίζει την επιφάνεια µιας σφαίρας κέντρου ( ) κ > τότε η

1.1.3 t. t = t2 - t x2 - x1. x = x2 x

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

4 η Εργασία F o 60 o F 1. 2) ύο δυνάµεις F1

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΤΗΣΗΣ 3A: ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

ΕΡΓΑΣΙΑ 3 η. Παράδοση Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες

1. Δύναμη. Η ιδέα της Δύναμης δίνει μία ποσοτική περιγραφή της αλληλεπίδρασης α) μεταξύ δύο σωμάτων β) μεταξύ ενός σώματος και του περιβάλλοντος του.

Κίνηση πλανητών Νόµοι του Kepler

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

Κίνηση σε δύο διαστάσεις

Παράδειγµα διατήρησης στροφορµής

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

Ταλαντώσεις σώματος αλλά και συστήματος.

Διαγώνισμα Φυσικής Α! Λυκείου. Νόμοι του Νεύτωνα. Φροντιστήριο ΦΑΣΜΑ. Ζήτημα 1 ο. A) Ποιά από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή ;

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

Transcript:

Μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 1 q Μέχρι τώρα έχουµε χρησιµοποιήσει συστήµατα αναφοράς όπως ( x, y,z) καρτεσιανό q όπου ο 2 ος νόµος του Newton F = m a x = f x, y,z έχει την µορφή: y = q x, y,z z = h x, y,z q Πολύ συχνά χρησιµοποιούνται συντεταγµένες οι οποίες κινούνται ως προς τις στατικές καρτεσιανές συντεταγµένες q Αν οι εξισώσεις κίνησης του Newton έχουν και πάλι την µορφή Ø το νέο σύστηµα συντεταγµένων είναι «αδρανειακό» x = f y = q z = h Ø Γιατί έτσι, ο 1 ος νόµος του Newton σύµφωνα µε τον οποίο ένα σώµα σε ηρεµία θα παραµείνει σε ηρεµία όταν δεν εφαρµόζονται δυνάµεις πάνω του εξακολουθεί να ισχύει Ø Για παράδειγµα ένα σύστηµα συντεταγµένων µε µορφή: x = x υt είναι αδρανειακό γιατί: ""x = ""x q Σε διαφορετική περίπτωση το σύστηµα συντεταγµένων είναι «µη αδρανειακό»

Μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 2 q Οι νόµοι της φυσικής είναι ανεξάρτητοι από το σύστηµα συντεταγµένων Ø Αλλάζει µόνο η µορφή των εξισώσεων κίνησης Ø Για παράδειγµα: επιταχυνόµενο σύστηµα συντεταγµένων: x = x + f t ² Αν η συνάρτηση f(t) γραµµική µε t έχουµε και πάλι αδρανειακό σύστηµα ² Μια πολύπλοκη µορφή της f(t) περιγράφει επιταχυνόµενο σύστηµα αναφοράς Ø Έστω σύστηµα συντεταγµένων που κινείται µε σταθερή επιτάχυνση: y = y + 1 2 at 2 y = y + a Ø Εισαγωγή φανταστικής δύναµης λόγω επιτάχυνσης του συστήµατος αναφοράς Ø Η φανταστική δύναµη υπάρχει επειδή γράψαµε την εξίσωση κίνησης σε µη αδρανειακό σύστηµα Ø Έστω στο παραπάνω παράδειγµα, ότι βρισκόµαστε στην επιφάνεια της γης Ø Όλα τα σώµατα υπόκεινται στην σταθερή επιτάχυνση της βαρύτητας: Ø Επιλέγω ένα σύστηµα αναφοράς που κινείται µε επιτάχυνση: ² Στο σύστηµα αυτό εποµένως: y = 0 a = g Ø Εποµένως, η βαρυτική δύναµη στην επιφάνεια της γης µπορεί να αφαιρεθεί κάνοντας αλλαγή του συστήµατος αναφοράς Αρχή της ισοδυναµίας y = g

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 3 Περιστρεφόμενο σύστημα συντεταγμένων q Σηµεία για ξεκαθάρισµα: Ø Η κίνηση συµµβαίνει σε κάποιο περιστρεφόµενο σώµα και παρατηρείται ² Είτε ως προς σύστηµα αναφοράς «καρφωµένο» στο περιστρεφόµενο σώµα ² Είτε ως προς εξωτερικό σύστηµα αναφοράς «αδρανειακό»/χωρικό Ø Το πρόβληµα της περιγραφής της κίνησης χωρίζεται σε 3 µέρη ² Πως µετασχηµατίζουµε τις συνιστώσες ενός διανύσµατος µεταξύ των δυο συστηµάτων αναφοράς? (για καθορισµένη περιστροφή) ü Η απάντηση εξαρτάται από τον σχετικό προσανατολισµό των αξόνων στα δυο συστήµατα αναφοράς και όχι από το διάνυσµα ² Πως µετασχηµατίζουµε τις συντεταγµένες ενός σηµείου το οποίο είναι ακίνητο στο ένα σύστηµα αναφοράς στις συντεταγµένες του άλλου συστήµατος όταν ένα από τα δυο συστήµατα περιστρέφεται ως προς το άλλο ² Πως µετασχηµατίζουµε τις χρονικές παραγώγους διανυσµάτων από το ένα σύστηµα συντεταγµένων στο άλλο. ü Ο ρυθµός µεταβολής στο περιστρεφόµενο σύστηµα προέρχεται από: (α) ρυθµό µεταβολής των συνιστωσών του διανύσµατος όπως γίνεται αντιληπτός στο ένα σύστηµα και µετασχηµατίζεται στο άλλο σύστηµα (β) µεταβολή του µετασχηµατισµού µεταξύ των δυο συστηµάτων

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 4 Περιστρεφόμενο σύστημα συντεταγμένων q Σηµεία για προσοχή: Ø Το µέτρο ενός διανύσµατος παραµένει σταθερό ανεξάρτητα του συστήµατος που επιλέγουµε για να το περιγράψουµε r 2 2 = r k = Ø Το εσωτερικό γινόµενο δυο διανυσµάτων είναι αµετάβλητο από αλλαγή του συστήµατος συντεταγµένων: a b = a k b k = a k b k Ø Για να δούµε τον ακριβή µετασχηµατισµό συντεταγµένων ü Επιλέξτε δυο συστήµατα µε ίδια αρχή που διαφέρουν κατά µια περιστροφή ü Θεωρήστε το εσωτερικό γινόµενο και το Αναλυτικά: r e το οποίο γράφεται: r 1 = r 1 e1 e 1 + r 2 e2 e 1 + r 3 e3 e 1 r 2 = r 1 e1 e 2 + r 2 e2 e 2 + r 3 e3 e 2 r 3 = r 1 e1 e 3 + r 2 e2 e 3 + r 3 e3 e 3 k k k k r k 2 e e r k ek e = r k ek e (προβολή του άξονα στον άξονα ) k r 1 r 2 = r 3,k e 1 e 1 e2 e 1 e3 e 1 e 1 e 2 e2 e 2 e3 e 2 e 1 e 3 e2 e 3 e3 e 3 Ø O παραπάνω µετασχηµατισµός αποτελεί και τον ορισµό ενός διανύσµατος ü Αποφεύγεται η θεώρηση µέτρου και διεύθυνσης που απαιτούν καθορισµό συστήµατος συντεταγµένων r 1 r 2 r 3

Περιστρεφόμενα συστήματα αναφοράς ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 5 q Έστω ότι η θέση ενός σώµατος ως προς στατικό καρτεσιανό σύστηµα: r =1,2,3 q ενώ η θέση ενός σώµατος σχετικά µε περιστρεφόµενο σύστηµα είναι: r =1,2,3 q Το διάνυσµα θέσης εποµένως στα δυο συστήµατα αναφοράς θα είναι: r = r e µε e τα διανύσµατα των στατικών αξόνων συντεταγµένων ŷ yˆ Ø Ανάλογα: r = zˆ ˆx ẑ xˆ r e Ø Για κάποιο περιστρεφόµενο σώµα: διάνυσµα µε συνιστώσες διανύσµατα e = e 1 e 2 e 3 r r e µε τα διανύσµατα των περιστρεφόµενων αξόνων χωρικές συντεταγµένες = στατικές συντεταγµένες σώµατος = περιστρεφόµενες Ø Τι σηµαίνει όµως ότι τα 2 συστήµατα συντεταγµένων σχετίζονται µεταξύ τους µέσω περιστροφής? e Οι στατικοί άξονες,, σχετίζονται µε τους περιστρεφόµενους άξονες,, µέσω µιας γραµµικής σχέσης: e = U e e r 1 r = r 2 r 3 r = 3 3 πίνακας µετασχηµατισµού πίνακας περιστροφής r 1 r 2 r 3

Περιστρεφόμενα συστήματα αναφοράς q Μπορούµε να γράψουµε: e = U e ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 6 q Ο πίνακας περιστροφής U εν γένει εξαρτάται από τον χρόνο t, άρα έχουµε U (t) q Η σύνδεση µε τις συνιστώσες θέσης ενός σώµατος µέσω του µετασχηµατισµού: r = r e = U r e = U r Ø και θέλουµε να το συγκρίνουµε µε: r e = r e εφόσον r είναι αµετάβλητο q Η σχέση µεταξύ των «χωρικών» και «περιστροφικών» συντεταγµένων: r = r U Ø και θα µπορούσαµε να το γράψουµε µε την µορφή: r = U Τ r e e = δ e e e e = δ q O πίνακας U έχει την ιδιότητα ότι τα και είναι ορθοκανονική βάση: δηλαδή τα µετασχηµατισµένα διανύσµατα παραµένουν ορθοκανονικά Ορισµός περιστροφής e e = δ e = U q Από την σχέση και την e θα έχουµε: k U k ek l U le l = δ U k U l ek e l k,l = δ k,l U U k lδ kl = δ

Πίνακας περιστροφής q Από την συνθήκη ορθοκανονικότητας έχουµε: q Ουσιαστικά είναι ο τύπος πολ/σµου πινάκων: U k U l δ kl = U k U k q Εποµένως µπορούµε να γράψουµε την (1) σαν: U U Τ = 1 Δηλαδή, ο πίνακας περιστροφής είναι ορθοκανονικός k,l A B k ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 7 k k = A B U Τ = U 1 q Το σύνολο όλων των πινάκων περιστροφής για τους οποίους ισχύει U Τ = U 1 αποτελούν την οθογώνια οµάδα Ο(3) Ø Επειδή U Τ = U 1 det U Τ = det U 1 Ø αλλά det U = det U T και det U 1 = 1 det U det U = ±1 (1) Ορισµός ορθοκανονικού πίνακα ² Το σύνολο των ορθογώνιων πινάκων µε det U = +1 αποτελούν την οµάδα SO(3) στην QM θα δείτε τους πίνακες Paul (πίνακες spn) που ανήκουν στην SO(3) q Ο πίνακας U εξαρτάται εν γένει από τον χρόνο και έχουµε δει ότι: r = r e = r e

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 8 Απειροστές περιστροφές και γωνιακή ταχύτητα q Θεωρήστε ότι έχετε ένα σώµα το οποίο περιστρέφεται ως προς άξονα: q Θεωρήστε ότι ένα σηµείο P πάνω στο σώµα µε διάνυσµα θέσης r t O r t Ø Η σχέση P q Eξετάζουµε την κίνηση του P ως προς ακίνητο παρατηρητή Ø Πόσο µετακινείται το P σε χρόνο dt? Ø Έστω r ( t + dt) r ( t) + d r όπου d r η απειροστή µετατόπιση ˆn d r d r = rsnθdϕ και d r d ϕ d r r δφ Ø Χρησιµοποιώντας το διάνυσµα ˆn r ( t + dt) r ( t) ˆn r = r snθ θ d r = d ϕ r Ø Εποµένως: d r = dϕ ˆn r Ø Θεωρώντας: d ϕ dϕ ˆn d r = d ϕ r Ø Η ταχύτητα του σηµείου P για συνεχή περιστροφή θα είναι: Ø Ορίζουµε γωνιακή ταχύτητα ω: ισχύει µόνο για απειροστές περιστροφές ω d ϕ dt u P = d r dt = d ϕ dt r οπότε: u P = ω r Ø Τα διανύσµατα ω και dφ δεν είναι ακριβώς διανύσµατα αλλά ψευδο-διανύσµατα u ψευδοδιανύσµατα περιστρέφονται σαν διανύσµατα αλλά είναι αµετάβλητα ως προς χωρικούς αντικατοπτρισµούς Χ Χ,Υ Υ,Ζ Ζ

Πίνακας περιστροφής ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 9 q Ο πίνακας U εξαρτάται εν γένει από τον χρόνο και έχουµε δει ότι: r = r = r e e q Η ταχύτητα εποµένως του σηµείου µε διάνυσµα θέσης r r " = r " e τα e είναι σταθερά και δεν µεταβάλλονται µε τον χρόνο Ø Αλλά αν προσπαθήσω να γράψω την ταχύτητα του r στο περιστρεφόµενο σύστηµα τα e δεν είναι σταθερά και µεταβάλλονται µε τον χρόνο Ø H χρονική παράγωγος του r θα αποτελείται από δυο τµήµατα: r " = "r e + r "e Ø Ποια η χρονική παράγωγος των " e? e " = d U e dt = U " e "e = "U U 1 k ek k "e = ( "U U Τ ) e Ø Εποµένως καταλήγουµε ότι: "r = "r e + r ( "U U Τ ) e "r = "r + ( "U U Τ ) r e Διόρθωση για το γεγονός ότι οι άξονες συντεταγµένων δεν είναι σταθεροί χρονικά

Πίνακας περιστροφής q Είδαµε ότι στο περιστρεφόµενο σύστηµα συντεταγµένων: " r = q Ορίζουµε τον πίνακα: A = U U Τ Ø Α αντισυµµετρικός γιατί: U U Τ = 1 d dt A = U U Τ A Τ = ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 10 ο οποίος είναι αντισυµµετρικός "r + ( "U U Τ ) r ( U U Τ ) = 0 U U Τ + U U Τ = 0 ( U U Τ ) Τ A Τ = ( U Τ ) Τ U Τ A Τ = U U Τ Ø Εποµένως: U U Τ + U U Τ = 0 A + A Τ = 0 A = A Τ e Α αντισυµµετρικός q Α είναι ένας 3 3 αντισυµµετρικός πίνακας 0 Ø Καθορίζεται πλήρως µε τον ορισµό των A = 0 στοιχείων πάνω από την κύρια διαγώνιο 0 Εποµένως τα στοιχεία α 12, α 13 και α 23 0 ω 3 ω 2 0 ω αντισυµµετρικός 3 ω 2 A = 0 ω A = 1 ω 3 0 ω 1 0 ω 2 ω 1 0 q Χρησιµοποιώντας φορµαλισµό δεικτών: A k = ε k ω k µε ε k το σύµβολο Lev-Cvta 1 (,,k) = (1,2,3),(2,3,1),(3,1,2) k ε ι k = -1 (,,k) = (1,3,2),(3,2,1),(2,1,3) 0

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 11 Ταχύτητα σε περιστρεφόμενο σύστημα συντεταγμένων q Είδαµε ότι µπορούµε να γράψουµε: Α = q Τα ω είναι οι συνιστώσες του διανύσµατος: k ε k ω k ω = ω e q Με βάση τα παραπάνω, µπορούµε να γράψουµε τις ποσότητες: " e = "U U Τ e και e " = Α e = ε k ω k e k r " = "r + "U U Τ r e γωνιακή ταχύτητα " e = ω e Ø Από το εξωτερικό γινόµενο διανυσµάτων: e k e = ε k e = ε k e q To διάνυσµα της ταχύτητας θα γραφεί: "r = "r + Α r e "r = "r + r ω q Η παραπάνω απόδειξη ισχύει εν γένει, για οποιοδήποτε διάνυσµα w και την παράγωγό του ως προς χρόνο σε περιστρεφόµενο σύστηµα αναφοράς: w = w e = w e w " = "w + w ω e [ ] e Άθροισµα δυο όρων, ο ένας εκ των οποίων είναι κάθετος στα διανύσµατα και ίσος µε e w ω e

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 12 Επιτάχυνση σε περιστρεφόμενο σύστημα αναφοράς q Θεωρήστε ένα σώµα µε θέση που δίνεται από το διάνυσµα: r = e q Η ταχύτητά του θα είναι: " r = "r + r ω q Η επιτάχυνση του σώµατος (στο περιστρεφόµενο σύστηµα) προκύπτει από την παράγωγο της (1): a = d "r dt e Ø Είδαµε όµως: " "w = dw dt = "w + w ω και θεωρήστε ότι: w = r + r ω d " Ø Εποµένως θα έχουµε: a = [ ( "r + r ω ) + r + r ω dt a = [r "" + r " ω +r " ω + r " ω +r ω ω ] e a = r "" + 2 "r ω + r ω ω + r "ω e (1) r e " ω " e διάνυσµα επιτάχυνσης σε περιστρεφόµενο σύστηµα q Η έκφραση αυτή της επιτάχυνσης οδηγεί στην εισαγωγή «φαινοµενικών» δυνάµεων

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 13 2 ος Νόμος του Newton σε περιστρεφόμενο σύστημα q Θεωρούµε δυο νέα διανύσµατα ορισµένα στο περιστρεφόµενο σύστηµα (αγνοώντας τις διορθώσεις από την περιστροφή των αξόνων) v σωµ. = "r e και a σωµ. = "" r e q Με τα παραπάνω διανύσµατα, το διάνυσµα της επιτάχυνσης στο περιστρεφόµενο σύστηµα αναφοράς µπορεί να γραφεί: a = r "" + 2 "r ω + r ω ω + r "ω e a = a σωµ. + 2 ω v σωµ. + ω ω r + " ω r (προσοχή: δεν είναι ταχύτητα ή επιτάχυνση) F = m a επιτάχυνση σε περιστρεφόµενο σύστηµα συντεταγµένων q Εποµένως για περιστρεφόµενο σύστηµα αναφοράς, οι εξισώσεις κίνησης είναι: Ø Σύµφωνα µε τον 2 ο νόµο του Newton: Ø Σύµφωνα µε την έκφραση της πραγµατικής επιτάχυνσης α συναρτήσει της α σωµ. εµφανίζονται 3 νέοι όροι: a 1 = ω ( ω r ) φυγόκεντρος επιτάχυνση a 2 = 2 ω v σωµ. Corols επιτάχυνση a 3 = συνεπίπεδη της κίνησης και ω " κάθετη στη φυγόκεντρο. r Euler επιτάχυνση Εµφανίζεται λόγω µεταβολής της ω

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 14 Μη αδρανειακές δυνάμεις με φορμαλισμό Lagrange q Θα θέλαµε να βρούµε τις µη αδρανειακές δυνάµεις χρησιµοποιώντας τον φορµαλισµό Lagrange q H Lagrangan ενός σώµατος που κινείται σε ένα δυναµικό, γράφεται: L = 1 2 m "r 2 V ( r) q Στο στατικό σύστηµα συντεταγµένων θα γραφεί: L = 1 2 m r " 2 V ( r) L = 1 2 m r r V r q Οι εξισώσεις κίνησης χρησιµοποιώντας τις στατικές συντεταγµένες βρίσκονται από τις εξισώσεις Euler-Lagrange και την µορφή της Lagrangan από την (2) q Ποια θα ήταν η µορφή των εξισώσεων κίνησης χρησιµοποιώντας τις συντεταγµένες του περιστρεφόµενου συστήµατος q Θυµηθήτε από πριν ότι: r = U 1 r = U T r r = U r q Ενώ η παράγωγος του r ως προς t θα είναι: r = U r +U r (1) (2) q Με βάση τις εξισώσεις (3) και (4) µπορούµε να αντικαταστήσουµε στην (2) και τις εξισώσεις E-L και να χρησιµοποιήσουµε τα r σαν τις δυναµικές µεταβλητές (3) (4)

ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 15 Μη αδρανειακές δυνάμεις με φορμαλισμό Lagrange q Παραλείποντας τους δείκτες θα µπορούσαµε να γράψουµε: r = Ur + Ur q Εποµένως η Lagrangan θα γραφεί: L 1 2 m Ur + Ur V L 1 2 m U Ur 2 + U Urr + UUr 2 q Η εξίσωση Euler-Lagrange: t L r = L U Ur + UUr + U Ur + UU r = V Ar r Euler ω "r Corols φυγόκεντρος ( Ur + Ur ) V (παραλείποντας όρους x2) r t( U Ur + UUr ) = U Ur + U Ur V επιτάχυνση σώµατος q Άσκηση: Προσπαθήστε να λύσετε το παραπάνω µε τους σωστούς δείκτες Σε κάποιους από τους όρους θα πρέπει να θυµηθείτε την συνθήκη ορθοκανονικότητας (π.χ. o όρος που δίνει ) UU r r

Εφαρμογές ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 16 q To κλασικό παράδειγµα ενός περιστρεφόµενου συστήµατος είναι η Γη: Ø Η γωνιακή ταχύτητα είναι: ω = 2π 24 3600 s 1 7 10 5 rad sec q Μια µάζα η οποία κρέµεται στην άκρη ενός εκκρεµούς βρισκόµενο σε γεωγραφικό πλάτος λ : ω y z q Οι περιστρεφόµενες συντεταγµένες συντεταγµένες είναι: λ q Η γωνιακή ταχύτητα x z : κατακόρυφος άξονας y : προς τον βόρρειο πόλο x : «ανατολικά» ω ω = ω 0,cosλ,snλ άξονες συντεταγµένων σώµατος στο σύστηµα συντεταγµένων του σώµατος θα είναι: q Θεωρούµε ότι η µάζα του εκκρεµούς έχει διάνυσµα θέσης (σε συντεταγµένες σώµατος): r = ( 0,0, R γη )

Εφαρμογές Κίνηση στην επιφάνεια της Γης ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 17 q Ας θεωρήσουµε αρχικά ότι η µάζα δεν κινείται (οπότε η δύναµη Corols είναι 0) ω = ω ( 0,cosλ,snλ ) q Χρειάζεται εποµένως να υπολογίσουµε την φυγόκεντρο δύναµη ω y z Ø Η δύναµη της βαρύτητας είναι: λ r = 0,0, R γη x Ø Η φυγόκεντρος δύναµη είναι: F ϕυγοκ. = m ω ( ω Rcosλ ˆx ) F βαρ. = mgẑ F ϕυγοκ. = m ω F ϕυγοκ. = mω 2 R cos 2 λẑ + snλ cosλŷ q H φυγόκεντρος δύναµη αποτελείται από δυο όρους: Ø H µάζα θα αποκλίνει προς την y-διεύθυνση («νότια»): ² Το αποτέλεσµα «χάνεται» στους πόλους και ισηµερινό Ø Η βαρυτική δύναµη «ελαττώνεται» κατά ένα ποσοστό: ² Το αποτέλεσµα «χάνεται» στους πόλους (cosλ = 0) και γίνεται µέγιστο στον ισηµερινό ω 2 R g 45 o ω 2 R g 45 o 0.3% 0.3% ω r

Εφαρμογές Παράδειγμα δύναμης Corols ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 18 q Ας θεωρήσουµε ότι αφήνουµε µια µάζα να πέσει από την κορυφή ενός κτιρίου q Πως επιρεάζει η δύναµη Corols την κίνηση του σώµατος? Ø Το αποτέλεσµα της δύναµης αυτής θα είναι πολύ µικρό Ø Σε χαµηλότερη τάξη µεγέθους, η ταχύτητα θα είναι: υ o = gtẑ (το σώµα αφέθηκε την στιγµή t=0, να πέσει από το σηµείο x=y=0, z=z): Ø H δύναµη Corols θα είναι: F Corols = 2ω 0,cosλ,snλ F Corols = 2 ω v = 2 ω v 0 +" ( gtẑ) F Corols = 2ω cosλ ( gt) ˆx Ø H δύναµη αυτή θα είναι (1 η τάξη αναπτύγµατος της επιτάχυνσης του σώµατος): F Corols = m "v 1 = 2mωgt cosλ ˆx ² Όπου: v = v 0 + v v1 = ωgt 2 cosλ ˆx 1 +" Ø H απόκλιση της θέσης του σώµατος είναι: d r = v 1 dt = ωgt 3 cosλ ˆx 3 Ø Το σώµα αυτό θα αποκλίνει «ανατολικά» Ø Στο νότιο ηµισφαίριο, λ<0, το σώµα θα αποκλίνει «δυτικά» Ø Για ένα 10-όροφο κτίριο η απόκλιση είναι ~5mm

Περιστρεφόμενο σύστημα συντεταγμένων q Ξεκινήσαµε να µελετάµε περιστρεφόµενα συστήµατα συντεταγµένων: q Είδαµε ότι για ένα σώµα το οποίο έχει διάνυσµα θέσης r Ø το r γράφεται είτε συναρτήσει στατικών συντεταγµένων: Ø είτε συναρτήσει περιστρεφόµενων συντεταγµένων: e ΦΥΣ 211 - Διαλ.27 19 r = r e r = r e τα δεν είναι σταθερά αλλά µεταβάλλονται µε τον χρόνο ενώ τα είναι σταθερά e Ø Τα και e περιγράφουν τους άξονες συντεταγµένων των δυο συστηµάτων q Τα δυο συστήµατα αναφοράς σχετίζονται µέσω του πίνακα περιστροφής U: e = U e q O πίνακας U είναι ένας ορθογώνιος πίνακας: U Τ = U 1 και det U = ±1 q Τι θα δούµε σήµερα: Ø πως µετασχηµατίζεται η ταχύτητα στο περιστρεφόµενο σύστηµα Ø πως µετασχηµατίζεται η επιτάχυνση στο περιστρεφόµενο σύστηµα Ø η µορφή του 2 ου νόµου του Newton στο περιστρεφόµενο σύστηµα e