Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα ΔΙΑΛΕΞΗ 09 Ροπή Αδρανείας Στροφορμή ΦΥΣ102 1
Υπολογισμός Ροπών Αδράνειας Η Ροπή αδράνειας μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά όταν το αντικείμενο είναι διαθέσιμο. Εάν το αντικείμενο είναι συμπαγές χρησιμοποιούμε την σχέση: Για τον υπολογισμό του πιο πάνω ολοκληρώματος πρέπει να παραστήσουμε τα R και dm με την ίδια μεταβλητή ολοκλήρωσης. Εισάγουμε την πυκνότητα του σώματος γραμμική λ, επιφανειακή σ και χωρική πυκνότητα ρ: λ = dm dx, dm σ = dα και ρ = dm dv Επομένως για ένα τρισδιάστατο πρόβλημα έχουμε: I = R 2 ρ dv Όπου dv είναι ο στοιχειώδης όγκος του αντικειμένου. 2 ΦΥΣ102
(α) Δείξτε ότι η ροπή αδράνειας ενός κυλίνδρου με εσωτερική ακτίνα R 1, εξωτερική ακτίνα R 2 και μάζα M, είναι I = ½ M(R 12 + R 22 ), ως προς τον άξονα περιστροφής του σχήματος. (β) Πόση είναι η ροπή αδράνειας εάν ο κύλινδρος δεν είχε την κεντρική οπή (συμπαγής). ΦΥΣ102 3
ΦΥΣ102 4
Tο θεώρημα των παράλληλων Tο θεώρημα των παράλληλων αξόνων μας επιτρέπει αν προσδιορίσουμε την ροπή αδράνειας ως προς άξονα παράλληλο με τον άξονα που περνά από το ΚΜ : Βρείτε την ροπή αδράνειας του κυλίνδρου με ακτίνα R 0 και μάζα M ως προς άξονα παράλληλο στον άξονα συμμετρίας και σε απόσταση h=r 0. ΦΥΣ102 5
Το θεώρημα των κάθετων αξόνων Έστω ότι I x η ροπή αδράνειας ως προς x και I y ως προς y, η ροπή αδρανείας ως προς έναν άξονα κάθετο στο επίπεδο xy είναι: Η πιο πάνω σχέση ισχύει για επίπεδα αντικείμενα. ΦΥΣ102 6
Περιστροφική Ενέργεια Η Κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου που περιστρέφεται είναι: Με αντικατάσταση βρίσκουμε ότι: Συνολικά η κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου, του οποίου μετακινείται ο άξονας περιστροφής, είναι: Το σώμα μετέχει ταυτόχρονα τόσο στην μεταθετική όσο και στην στροφική κίνηση. Η κίνηση του μπορεί να αναπαρασταθεί σαν ένας συνδυασμός μιας μεταφορικής κίνησης του ΚΜ του και μιας περιστροφικής γύρω από άξονα διερχόμενο από το ΚΜ του. ΦΥΣ102 7
Διατήρηση της Ενέργειας Όλες οι μορφές ενέργειας λαμβάνονται υπόψη όταν εφαρμόζουμε την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Όλα τα αντικείμενα του σχήματος έχουν την ίδια δυναμική ενέργεια στην κορυφή αλλά στο τέλος της κλίσης, η κατανομή της ενέργειας διαφέρει από αντικείμενο σε αντικείμενο, αν και η συνολική ενέργεια είναι σταθερή. ΦΥΣ102 8
Το έργο της ροπής Το ολικό έργο W που παράγεται από την ροπή κατά την διάρκεια μιας γωνιακής μετατόπισης με αρχική γωνία θ 1 και τελική γωνία θ 2 είναι: W = θ 2τ dθ θ 1 Η ισχύς: P = dw dt = τ dθ dt = τω Γνωρίζοντας επίσης ότι: τ = mar = mr 2 α = Iα Άρα: τ dθ = Iα dθ = I dω dt dθ = I dθ dt dω = Iω dω Θεώρημα έργου ενέργειας: ω 2 1 W = Iω dω = 2 Iω 2 2 1 2 Iω 1 2 ω 1 ΦΥΣ102 9
ΦΥΣ102 10
Κύλιση-Μεταφορική και Περιστροφική Ενέργεια Στην πάνω περίπτωση η ρόδα κυλάει χωρίς να ολισθαίνει. Το σημείο P, σε επαφή με το έδαφος, στιγμιαία είναι ακίνητο και το κέντρο κινείται με ταχύτητα v. Στην κάτω περίπτωση το κέντρο παραμένει ακίνητο και το σημείο P κινείται με ταχύτητας v. Η σχέση γραμμικής και γωνιακής ταχύτητας είναι : ΦΥΣ102 11
Γιατί επιβραδύνεται μια σφαίρα που κυλάει; Ποια είναι η δύναμη που σταματάει τη σφαίρα; Εάν πούμε απλά η δύναμη τις «τριβής» τότε προκύπτουν τα εξής προβλήματα: Η τριβή δρα στο σημείο επαφής και επομένως από το σχήμα βλέπουμε ότι η γωνιακή ταχύτητα της σφαίρας θα πρέπει να αυξάνεται! Η βαρύτητα και η κάθετη δύναμη έχουν κατεύθυνση κατά μήκος της ακτίνας και επομένως μηδενική ροπή. ΦΥΣ102 12
Απάντηση: Η τέλεια σφαίρα δεν σταματά ποτέ! Η μικρές παραμορφώσεις, αποκλίσεις από την τέλεια σφαίρα και την απόλυτα επίπεδη επιφάνεια, δηλ. τη σημειακή επαφή με την επιφάνεια, δημιουργούν ροπές που τελικά ακινητοποιούν την σφαίρα. ΦΥΣ102 13
Περιστροφή πέριξ σταθερού άξονα Η ανάλογη περιστροφική ποσότητα με την γραμμική ορμή είναι η στροφορμή, L: Ενώ ο 2 ος νόμος του Νεύτωνα για την περιστροφική κίνηση γίνεται: Η σχέση αυτή ισχύει μόνο όταν η ροπή αδράνειας I είναι σταθερή Όταν στο σύστημα δεν δρα εξωτερική ροπή, τότε η συνολική στροφορμή του συστήματος παραμένει σταθερή: dl dt = 0 and L = Iw = constant. Η διαφορετικά, η στροφορμή ενός συστήματος παραμένει σταθερή εφόσον η συνολική εξωτερική ροπή που ασκείται πάνω του είναι μηδέν. ΦΥΣ102 14
Αυτό σημαίνει: Δηλαδή, εάν κατά τη διάρκεια της περιστροφής έχουμε μεταβολή στην ροπή αδράνειας, τότε αναγκαστικά θα αλλάξει η γωνιακή ταχύτητα. ΦΥΣ102 15
Η Στροφορμή είναι διάνυσμα. Για συμμετρικά αντικείμενα που περιστρέφονται γύρω από άξονα συμμετρίας η διεύθυνση της στροφορμής είναι ίδια με αυτήν της γωνιακής ταχύτητας «ψευτοδιάνυσμα» (http://en.wikipedia.org/ wiki/pseudovector ) Το ίδιο συμβαίνει με όλα τα διανύσματα που προκύπτουν από εξωτερικά γινόμενα διανυσμάτων ΦΥΣ102 16
Υποθέτουμε ότι ένας φοιτητής 60-kg στέκεται στην άκρη μιας κυκλικής πλατφόρμας με ακτίνα 6.0-m-προσαρμοσμένη σε ρουλεμάν με μηδενική τριβή και ροπή αδράνειας 1800 kg m 2. Η πλατφόρμα είναι αρχικά ακίνητη και ο φοιτητής αρχίζει να τρέχει με ταχύτητα 4.2 m/s (ως προς τη Γη) κατά μήκος της περιφέρειας της πλατφόρμας. Βρείτε τη γωνιακή ταχύτητα της πλατφόρμας. 17 ΦΥΣ102
Η Ροπή είναι το εξωτερικό γινόμενο της μετατόπισης του σημείου με τη δύναμη: ΦΥΣ102 21
Στροφορμή σωματιδίου Η στροφορμή ενός σωματιδίου δίνεται από τη σχέση: ΦΥΣ102 22
Η χρονική παράγωγος της L είναι: Επειδή έχουμε: ΦΥΣ102 23
Βρείτε τη στροφορμή ενός σωματιδίου μάζας m, που κινείται με ταχύτητα v κυκλικά, ακτίνα r και φορά αντίθετη με αυτή των δεικτών του ρολογιού. ΦΥΣ102 24
Στροφορμή Συστήματος Σωματιδίων-Γενική Κίνηση Η στροφορμή ενός συστήματος σωματιδίων δύναται να μεταβληθεί μόνο εάν υπάρχει εξωτερική ροπή- οι ροπές εξ αιτίας εσωτερικών δυνάμεων αναιρούνται μεταξύ τους. Η σχέση αυτή ισχύει για οποιοδήποτε αδρανειακό σύστημα. Ισχύει ακόμη και για ΚΜ (CM) που επιταχύνεται. Στροφορμή και Ροπή για στερεό Σώμα Για ένα στερεό σώμα αποδεικνύεται ότι η στροφορμή του δίδεται από τη σχέση: ΦΥΣ102 25
Διατήρηση της Στροφορμής Εάν η ροπή σε ένα σύστημα είναι σταθερή τότε, Η συνολική στροφορμή ενός συστήματος παραμένει σταθερή εφόσον η συνολική εξωτερική ροπή που δρα στο σύστημα είναι μηδέν. ΦΥΣ102 26
Σβούρες Ο άξονας περιστροφής μια σβούρας θα μετατοπίζεται (precess) γύρω από το σημείο επαφής της σβούρας λόγω της ροπής που δημιουργεί η βαρύτητα όταν ο άξονας της σβούρας δεν είναι κατακόρυφος. ΦΥΣ102 27
Η γωνιακή ταχύτητα της μετατόπισης του άξονα περιστροφής (precession) είναι : ΦΥΣ102 28
Περιστρεφόμενα Συστήματα Αναφοράς Δυνάμεις Αδράνειας Ως αδρανειακό ορίσαμε ένα σύστημα όπου ισχύουν οι νόμοι του Νεύτωνα. Ένα σύστημα αναφοράς που περιστρέφεται έχει γωνιακή επιτάχυνση και επομένως ορισμένα δεν είναι «αυστηρά» αδρανειακά. Υπάρχει μια φαινομενολογική δύναμη που ασκείται πάνω σε αντικείμενα που βρίσκονται μέσα σε ένα σύστημα που περιστρέφεται. Η «ψευτοδύναμη» αυτή, έχει φορά προς τα έξω και την ονομάζουμε φυγόκεντρος δύναμη. ΦΥΣ102 29
Το φαινόμενο Coriolis Σε ένα αντικείμενο που κινείται σε μη αδρανειακό σύστημα, ασκείται άλλη μια «ψευτοδύναμη». Τούτο γιατί καθώς κινείται το αντικείμενο προς μεγαλύτερη απόσταση από τον άξονα περιστροφής, η γραμμική του ταχύτητά (εφαπτόμενη) δεν αυξάνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το αντικείμενο να εμφανίζει μια «πλάγια» μετατόπιση. Inertial reference frame Το φαινόμενο Coriolis ευθύνεται για την περιστροφή των αέριων μαζών (καταιγίδες) γύρω από περιοχές χαμηλών πιέσεων αριστερόστροφα στο Βόρειο ημισφαίριο και Δεξιόστροφα στο Νότιο. Rotating reference frame Η επιτάχυνση Coriolis είναι: ΦΥΣ102 30
Ασκήσεις 1. Μια μικρή μάζα m που συγκρατιέται από ένα σκοινί, περιστρέφεται κυκλικά πάνω σε ένα τραπέζι χωρίς τριβές, όπως φαίνεται στο σχήμα. Αρχικά η μάζα περιστρέφεται με ταχύτητα, v 1 = 2.4 m/s, και ακτίνα, R 1 = 0.80 m. Στη συνέχεια το σκοινί μετατοπίζεται κατακόρυφα προς τα κάτω ώστε η ακτίνα περιστροφής να μικρύνει σε R 2 = 0.48 m. Πόση είναι η νέα ταχύτητα v 2 ; 2. Εάν υποθέσουμε ότι κρατάω ένα τροχό ποδηλάτου που περιστρέφεται και στέκομαι πάνω σε πλατφόρμα που μπορεί να περιστρέφεται χωρίς τριβή. Τι θα συμβεί εάν ξαφνικά αντιστρέψω την φορά περιστροφής του τροχού; ΦΥΣ102 31
3. Η μηχανή του Atwood H μηχανή του Atwood αποτελείται από δύο μάζες, m A και m B, που συνδέονται μέσω τροχαλίας με έναν ιμάντα αμελητέας μάζας. Εάν η τροχαλία έχει ακτίνα R 0 και ροπή αδράνειας I, βρείτε την επιτάχυνση των μαζών m A και m B, και συγκρίνατε με την περίπτωση όπου η ροπή αδράνειας της τροχαλίας είναι μηδέν. 4. Μια σφαίρα (άτομο) μάζας m κινείται με ταχύτητα v και ενσωματώνεται στην περιφέρεια ενός κυλίνδρου (μορίου) μάζας M και ακτίνας R 0. Ο κύλινδρος που είναι αρχικά ακίνητος αρχίζει να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα συμμετρίας του ο οποίος (ο άξονας) δεν μετακινείται. Αγνοώντας τριβές, πόση είναι η γωνιακή ταχύτητα του κυλίνδρου μετά την κρούση; Διατηρείται η κινητική ενέργεια; ΦΥΣ102 32