όπου x η συντεταγµένη του σωµατιδίου, θεωρούµενη µε αρχή ένα στα θερό σηµείο Ο του άξονα και α, U 0 σταθερές και θετικές ποσότητες.

Σχετικά έγγραφα
Υλικό σηµείο µάζας m, κινείται εντός δυναµικού πεδίου δεχόµενο ελκτική κεντρική δύναµη F!

i) Εάν η κρούση είναι µετωπική και πλαστική, να δείξετε ότι η τρο χιά του συσσωµατώµατος που δηµιουργείται είναι ελλειπτική.

Θεωρούµε δύο υλικά σηµεία µε µάζες m 1, m 2 τα οποία αλληλοεπιδ ρούν µε βαρυτική δύναµη, που ακολουθεί τον νόµο της παγκόσµιας έλξεως του Νεύτωνα.

ii) Να δείξετε ότι το σφαιρίδιο εκτελεί µια µη αρµονική περιοδική ταλάντωση, της οποίας να υπολογίσετε την περίοδο.

όπου Μ η µάζα της Γης την οποία θεωρούµε σφαίρα οµογενή, G η παγκόσµια σταθερά της βαρύτητας και L!

Θετικό σηµειακό φορτίο q βρισκεται σε απόσταση D από το κέντρο µιας κοίλης µεταλλικής σφαίρας ακτίνας R (R<D), η οποία είναι προσγειωµένη.

της µορφής:! F = -mk! r

Θεωρούµε σύστηµα δύο σωµατιδίων Σ 1 και Σ 2 µε αντίστοιχες µάζες m 1 και m 2, τα οποία αλληλοεπιδρούν χωρίς όµως να δέχονται εξωτερικές δυνάµεις.

. Αυτό σηµαίνει ότι το κέντρο µάζας κινείται ευθύγραµµα µε σταθερή επιτάχυνση a! = F!

(ΘΕΜΑ 17ο)

A! Κινηµατική άποψη. Σχήµα 1 Σχήµα 2

Υλικό σηµείο µάζας m έλκεται από σταθερό κέν τρο Ο µε δύναµη F! που περιγράφεται από την σχέση:! F = f(r)! r

Δυναµική της κίνησης συστήµατος δύο σωµατιδίων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2004

Ένα σώµα µε µεγάλη µάζα Μ, κινείται µε σταθερή

Υλικό σηµείο µάζας m, κινείται εντός δυναµικού πεδίου, που εξασκεί στην µάζα m δύναµη η οποία απορρέει από συνάρτηση δυναµικής ενέργειας της µορφής:

i) το πλάτος ταλάντωσης του καροτσιού µετά την ενσωµάτωση του σφαιριδίου σ' αυτό και

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2004

, της οποίας το µέτρο ικανοποιεί τη σχέση:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΛΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

i) την ενέργεια που πρέπει να προσφερθεί στο σφαιρίδιο,

ii) Nα βρείτε την µέγιστη γωνιακή ταχύτητα της ράβδου.

ΜΕΡΟΣ Γ! 2η οµάδα λυµένων παραδειγµάτων

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 16/2/2012 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ A ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2: ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β

i) Nα βρείτε την ταχύτητα του κέντρου της στεφάνης αµέσως µετά την κρού ση, η οποία θεωρείται βραχείας διάρκειας.

, σταθερής κατεύθυνσης, της οποίας το µέτρο µεταβάλλεται µε τον χρόνο t, σύµφωνα µε την σχέση:

Yλικό σηµείο κινείται στο επίπεδο Οxy διαγράφον τας καµπύλη τροχιά, η οποία περιγράφεται από την σχέση:

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Τηλ./Fax: , Τηλ: Λεωφόρος Μαραθώνος &Χρυσοστόµου Σµύρνης 3, 1

F mk(1 e ), όπου k θετική σταθερά. Στο όχημα ασκείται

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

i) Να βρεθεί ο χρόνος αιώρησης του διαστηµοπλοίου, µέχρις ότου εξαντληθούν τα καύσιµά του.

i) τον λόγο των µαζών των δύο σφαιριδίων, ώστε αυτά µετά την κρού ση τους να φθάνουν στις αρχικές τους θέσεις και

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

Θεωρούµε στερεό σώµα που εκτελεί ως προς ένα αδρανειακό σύστηµα αναφοράς επίπεδη κίνηση.

T 4 T 4 T 2 Τ Τ Τ 3Τ Τ Τ 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Κεντρικές υνάµεις. 1. α) Αποδείξτε ότι η στροφορµή διατηρείται σε ένα πεδίο κεντρικών δυνάµεων και δείξτε ότι η κίνηση είναι επίπεδη.

( ) ω ( ) = 0. Aπό τις σχέσεις (2) προκύπτει ή ότι το διάνυσµα v K. είναι κάθετο στα διανύσµα τα r A

ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2: ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) 2ο set - μέρος Α - Απαντήσεις ΘΕΜΑ Β

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

i) Nα δείξετε ότι, κάθε στιγµή οι ταχύτητες των δύο πιθήκων ως προς το ακίνητο έδαφος είναι ίσες.

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ, 8 Μαρτίου 2019 Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΣΕΙΡΑ: 1η ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 24/07/2014

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2003

1. Κινηµατική. x dt (1.1) η ταχύτητα είναι. και η επιτάχυνση ax = lim = =. (1.2) Ο δεύτερος νόµος του Νεύτωνα παίρνει τη µορφή: (1.

1. Κίνηση Υλικού Σημείου

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

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 2 Σεπτεμβρίου 2010

Reynolds. du 1 ξ2 sin 2 u. (2n)!! ( ( videos/bulletproof-balloons) n=0

1. Για το σύστηµα που παριστάνεται στο σχήµα θεωρώντας ότι τα νήµατα είναι αβαρή και µη εκτατά, τις τροχαλίες αµελητέας µάζας και. = (x σε μέτρα).

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης


ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

Ο δεύτερος νόµος του Νεύτωνα για σύστηµα µεταβλητής µάζας

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2013

i) Nα δείξετε ότι η κυµατοσυνάρτηση που περιγράφει το κύµα έχει την µορφή: ) µε t! t + T x - x0 ( )

ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 6 24

ΛΥΣΕΙΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ mu 1 2m. + u2. = u 1 + u 2. = mu 1. u 2, u 2. = u2 u 1 + V2 = V1

2 Η ΠΡΟΟΔΟΣ. Ενδεικτικές λύσεις κάποιων προβλημάτων. Τα νούμερα στις ασκήσεις είναι ΤΥΧΑΙΑ και ΟΧΙ αυτά της εξέταση

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Συστήµατα Υλικών Σηµείων

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

µε φορά προς το κυρτό µέρος του σύρµατος (σχήµα α) η οποία µαζί µε την ακτινική συνιστώσα w!

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

Οµογενής σφαίρα µάζας m και ατίνας R, ισορροπεί πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο. Κάποια στιγµή ενεργεί στην σφαίρα οριζόντια ώθηση!!

Ποια μπορεί να είναι η κίνηση μετά την κρούση;

Q του νήµατος που το συγκρατεί, συµφωνα δε µε τον δεύτερο νό µο κίνησης του Νεύτωνα θα ισχύει η σχέση: της τάσεως!

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ. Α5. α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Λάθος ε. Σωστό

7. Ένα σώμα εκτελεί Α.Α.Τ. Η σταθερά επαναφοράς συστήματος είναι.

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3/2/2016 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

dx cos x = ln 1 + sin x 1 sin x.

ii) Nα υπολογιστεί η κινητική ενέργεια του συστήµατος σε συνάρτηση µε τον χρόνο. Δίνεται η επιτάχυνση! g της βαρύτητας.

η αντίστοιχη ταχύτητα του οχήµατος, θα ισχύει η σχέση:! 0 = m! v + M! V! md! v /dt = -Md!

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

1. Ένα σώμα εκτελεί ΑΑΤ πλάτους Α. Η ταχύτητα του σώματος:

i) Nα βρείτε την επιτάχυνση του κέντρου της τροχαλίας τ 1.

διέρχεται από το σηµείο Ο της ράβδου, υπό την επίδραση των βαρών m 1 από τον άξονα περιστροφής, που αναλύεται στην οριζόντια συνιστώσα!

διεύθυνση. Tο διάνυσµα αυτό δείχνει την φορά κατά την οποία η γωνία θ αυξά νεται. Συνδυάζοντας τις σχέσεις (1) και (2) παίρνουµε:

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

# $ + L " = ml " ml! = ML " $ + ml " $ L " = ML/2(M + m) # $ (1) Eξάλλου, εάν L' α, L' σ είναι οι τελικές αποστάσεις του κέντρου µάζας C του

Ταλαντώσεις σώματος αλλά και συστήματος.

ΜΕΡΟΣ Α! Κινηµατική άποψη

) z ) r 3. sin cos θ,

των Α και Β αντιστοίχως είναι παράλληλες (σχ. 12) που σηµαί Σχήµα 11 Σχήµα 12

i) Nα βρείτε το δυναµικό ενός τυχαίου σηµείου M του επιπέδου Oyz, σε συνάρτηση µε τις συντεταγµένες y,z του σηµείου.

τα µοναδιαία διανύσµατα των αξόνων Οx, Oy, Oz αντιστοί χως. Η αντίστοιχη στροφορµή L!

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Πτυχιακή εξέταση στη Μηχανική ΙI 20 Σεπτεμβρίου 2007

i) Να γράψετε τη διαφορική εξίσωση κίνησης του σώµατος και να δείξετε ότι δέχεται λύση της µορφής:

ΘΕΜΑ Α Στις ερωτήσεις Α1 Α5 να γράψετε στο τετράδιο σας τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 25/09/16 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

την αρχή Ο του ΟΧY, που είναι ένα αδρανειακό σύστηµα αναφοράς. Εάν

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙI Ιούνιος 2004

ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Απλή Αρµονική Ταλάντωση ΙΙ - Κρούσεις Ενδεικτικές Λύσεις Θέµα Α

ΘΕΜΑ Α A1. Στις ερωτήσεις 1 9 να επιλέξετε το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση, χωρίς να αιτιολογήσετε την επιλογή σας.

Δίνεται η ροπή αδράνειας I=mL 2 /3 της ράβδου ως προς τον άξονα περιστροφής της, η επιτάχυνση! g της βαρύτητας και ότι π 2!10.

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΘΕΡΙΝΑ) ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 24/09/2017 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ

Transcript:

Υλικό σωµατίδιο µάζας m κινείται πάνω σε σταθε ρό άξονα x x υπό την επίδραση δύναµης, της οποίας ο φορέας συµπί πτει µε τον άξονα. Η δύναµη απορρέει από συνάρτηση δυναµικής ενέργειας της µορφής: Ux) = U 0 - "x) όπου x η συντεταγµένη του σωµατιδίου, θεωρούµενη µε αρχή ένα στα θερό σηµείο Ο του άξονα και α, U 0 σταθερές και θετικές ποσότητες. i) Nα δείξετε ότι υπάρχουν θέσεις ευσταθούς και ασταθούς ισορροπί ας του σωµατιδίου. ii) Eάν το σωµατίδιο αποµακρυνθεί ελαφρώς από µια θέση ευστα θούς ισορροπίας, να βρεθεί η περίοδος της ταλάντωσης που θα εκτε λέσει. ΛΥΣΗ: i) Αν υπάρχουν θέσεις ισορροπίας του σωµατιδίου πάνω στον άξονα x x, πρέπει στις θέσεις αυτές να µηδενίζεται η πρώτη παράγωγος της συνάρτη σης Ux), δηλαδή πρέπει να ισχύει: [ )] = 0 dux) dx = 0 d dx U - "x 0 U 0 "µx = 0 x = k" µε k = 0, ±, ±... ) Για την δεύτερη παράγωγο της συνάρτησης Ux) έχουµε: d Ux) d x = d dx U "µx 0 ) = U 0 x ) Σχήµα 8 Aπό την ) παρατηρούµε τα εξής: α. Αν k άρτιος τότε

d Ux) " d & x x= k' / = U 0 > 0 που σηµαίνει ότι στις θέσεις x=0, ±π/α, ±4π/α,... η Ux) παρουσιάζει τοπικά ελάχιστα, δηλαθή οι θέσεις αυτές είναι θέσεις ευσταθούς ισορροπίας του σωµα τιδίου. β. Αν k περιττός τότε d Ux) " d & x x= k' / = - U 0 < 0 δηλαδή στις θέσεις x=±π/α, ±3π/α,... η Ux) παρουσιάζει τοπικά µέγιστα, δήλα δη οι θέσεις αυτές είναι θέσεις ασταθούς ισορροπίας του σωµατιδίου. Στο σχήµα 8) φαίνεται το διάγραµµα της συνάρτησης Ux) όπου απεικονίζονται οι θέσεις των τοπικών µεγίστων και ελαχίστων αυτής. ii) Θεωρούµε µια θέση x 0 ευσταθούς ισορροπίας του σωµατιδίου και αναπτύσ σουµε κατά Taylor την συνάρτηση Ux) σε µια περιοχή του x 0, οπότε θα έχουµε: Ux) = Ux 0 ) + x - x 0 ) dux) " dx & + x - x 0) x=x 0 d Ux) " dx & +... x=x 0 Eάν η απόσταση x εγκλωβίζεται σε µια περιοχή του x 0 πολύ µικρού εύρους ε ε 0), δηλαδή εάν ισχύει x-x 0 ε, τότε η διαφορά x-x 0 είναι πολύ µικρή και µπορούµε να θεωρούµε τους όρους που περιέχουν την διαφορά αυτή σε δύναµη µεγαλύτερη του δύο αµελητέους, οπότε η πιο πάνω σχέση παίρνει την προσεγ γιστική µορφή: Ux) Ux 0 ) + x - x 0 ) " dux) dx ' & + x - x 0) x=x 0 Ux) U 0 -"x 0 ) + x-x 0 )U 0 &µ x 0 ) + x-x 0 ) Ux) U 0 -"k )+ x-x 0 )&U 0 'µ k ) + x-x 0 ) Ux) 0 + 0 + " U 0 x - x 0 ) = " U 0 " d Ux) dx ' & x=x 0 U 0 "x 0 ) & U 0 " k ) x - x 0 ) 3) H δύναµη F x) επί του σωµατιδίου, που απορρέει από την δυναµική ενέργεια Ux), υπόλογίζεται µέσω της σχέσεως:

F x) = - dux) dx i = - U 0 x - x 0 ) i 4) όπου i το µοναδιαίο διάνυσµα του άξονα x x. Eφαρµόζοντας για το σωµατίδιο τον δεύτερο νόµο κίνησης του Νεύτωνα παίρνουµε: m d x i ) = 4) F x) dt m d x i ) = - U dt 0 x - x 0 ) i d x - x 0 ) = - U 0 dt m x - x 0 ) d y dt + U 0 m y = 0 d y dt + y = 0 5) όπου τέθηκε x-x 0 =y και ω =α U 0 /m. H 5) αποτελεί την τυπική διαφορική εξίσωση ενός αρµονικού ταλαντωτή, δηλαδή αν το σωµατίδιο εκτραπεί πολύ λί γο από µια θέση ευσταθούς ισορροπίας και αφεθεί ελεύθερο θα εκτελεί περί την θέση αυτή αρµονική ταλάντωση µε περίοδο Τ που υπολογίζεται από την σχέση: T = " = U 0 / m = m U 0 P.M. fysikos Ένα σωµατίδιο µάζας m κινείται επί ενός άξονα x x υπό την επίδραση µιας δύναµης που ο φορέας της βρίσκεται στον άξονα, απορρέει δε από συνάρτηση δυναµικής ενέργειας της µορφής: Ux) = U 0 e - x-x 0 ) - e - x-x 0 ) [ ] όπου x η συντεταγµένη του σωµατιδίου µε αρχή ένα σταθερό σηµείο Ο του άξονα - <x< +) και U 0, α, x 0 σταθερές θετικές ποσότητες. i) Nα σχεδιάσετε την γραφική παράσταση της Ux) και να δείξετε ότι η θέση x=x 0 αποτελεί θέση ευσταθούς ισορροπίας του σωµατιδίου. ii) Εάν η ολική ενέργεια του σωµατιδίου είναι Ε=Ux 0 )/, να δείξετε ότι η κίνησή του είναι φραγµένη µέσα σε µια περιοχή του άξονα x x της οποίας να υπολογίσετε τα όρια. iii) Εάν το σωµατίδιο αφεθεί ελεύθερο στην αρχή Ο, να δείξετε ότι θα τεθεί σε κίνηση και ότι τελικά θα αποκτήσει οριακή ταχύτητα της οποίας να υπολογίσετε το µέτρο. Δίνεται ότι e 0. ΛΥΣΗ: i) Για την συνάρτηση δυναµικής ενέργειας Ux) παρατηρούµε τα εξής:

α. U0) = U 0 e x 0 - e x 0 ) = U 0 e x 0 e - ) > 0 β. lim Ux) +" και x -" lim Ux) 0 x +" γ. Εάν η συνάρτηση Ux) παρουσιάζει τοπικά ακρότατα, τότε σε κάθε θέση ακρο τάτου η πρώτη παράγωγός της θα είναι µηδέν, δηλαδή θα ισχύει: dux) dx = 0 U 0 d ) - e - x-x 0 ) [ ] = 0 dx e- x-x 0 -e - x-x 0 ) + e - x-x 0 ) = 0 x = x 0 Η δεύτερη παράγωγος της Ux) στην θέση x=x 0 είναι: d Ux) " dx & = U 0 4' e -' x-x0 ) - ' e -' x-x 0 ) [ ] = ' U 0 > 0 x= x0 x= x 0 Σχήµα 9 που σηµαίνει ότι η Ux) παρουσιάζει τοπικό ελάχιστο στην θέση x=x 0, του οποί ου η τιµή είναι: U min = U 0 e - x 0 -x 0 ) - e - x 0 -x 0 ) [ ] = -U 0 < 0 ) Άρα η θέση x=x 0 αποτελεί θέση ευταθούς ισορροπίας του σωµατιδίου. Με βάση όλα τα παραπάνω η γραφική παράσταση της Ux) έχει περίπου την µορφή που φαίνεται στο σχήµα 9). ii) Eάν η ολική µηχανική ενέργεια Ε του σωµατιδίου είναι U mim /, τότε εκ της γραφικής παράστασης προκύπτει ότι υπάρχουν δύο θέσεις αυτού x, x στις οποίες η κινητική του ενέργεια µηδενίζεται, που σηµαίνει ότι η κίνησή του επί του άξονα x x εγκλωβίζεται µεταξύ των δύο αυτών θέσεων. Οι θέσεις αυτές εί ναι ρίζες της εξίσωσης:

= U 0 e- x-x 0 ) - e - x-x 0 ) [ ] - U 0 = U 0 e- x-x 0 ) - e - x-x 0 ) [ ] U min - = e - x-x 0 ) - 4e - x-x 0 ) - = z - 4z z - 4z + = 0 ) όπου τέθηκε z = e - x-x 0 ). Η ) είναι εξίσωση δεύτερου βάθµου ως προς z και οι ρίζες της είναι z = ± /, οπότε θα έχουµε: e - x -x 0 ) ) e - x -x 0 = + / " = - / ) = ln + / ) = ln - / - x - x 0 - x - x 0 ) ) " ) / ) / x = x 0 - ln + / x = x 0 - ln - / " 3) µε x 0 > ln + / ) /. iii) Στην θέση x=0 η δύναµη F 0 επί του σωµατιδίου, που απορρέει από την συνάρτηση Ux), είναι: F 0 = - dux) " dx & x=0 i = U 0 'e -' x-x 0 ) - 'e -' x-x 0 ) [ ] i x=0 F 0 = U 0 e x 0 - ex 0 ) i = U 0 e x 0 e - ) i 4) όπου i το µοναδιαίο διάνυσµα του άξονα x x. Aπό την 4) παρατηρούµε ότι την στιγµή που το σωµατίδιο αφήνεται ελεύθερο στην θέση x=0 η δύναµη που δέχεται έχει την θετική κατεύθυνση του άξονα x x, δηλαδή θα τεθεί σε κίνηση προς τα θετικά x. Kαθώς θα αυξάνεται το x η δύναµη F x) θα µειώνεται και για x + η δυναµή θα τείνει στο µηδέν, οπότε και η επιτάχυνσή του θα τεί νει στο µηδέν, δηλαδή αποκτά τελικώς σταθερή ταχύτητα v οριακή ταχύτη τα) που µπορεί να υπολογιστεί µε εφαρµογή του θεωρήµατος διατήρησης της µηχανικής ενέργειας κατά την κίνηση του σωµατιδίου από την θέση x=0 στο άπειρο. Έτσι θα έχουµε την σχέση: U0) + K0) = U) + K) U0) + 0 = 0 + K) U 0 e x 0 e - ) = mv " / v = U 0 e "x 0 e - ) / m P.M. fysikos Εντός κεντρικού πεδίου δυνάµεων η τροχιά σε πο λικές συντεταγµένες r,φ) µιας σηµειακής µάζας m έχει την µορφή:

r = + e" a) όπου r η απόσταση της µάζας από το σταθερό κέντρο Ο εκ του οποίου εκπορεύεται η δύναµη, φ η πολική της γωνία και, e θετικές σταθε ρές ποσότητες. i) Nα δείξετε ότι η δύναµη είναι ελκτική και ακολουθεί τον νόµο του αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης r. ii) Στην περίπτωση που η τροχιά της σηµειακής µάζας είναι παραβο λή και η στροφορµή της περί το ελκτικό κέντρο Ο έχει µέτρο L, να βρεθεί το µέτρο της ταχύτητάς της την στιγµή που η πολική γωνία της µάζας είναι π/. ΛΥΣΗ: i) Από την θεωρία των κεντρικών κινήσεων είναι γνωστό ότι η διαφορική εξίσωση * της τροχιάς σε πολικές συντεταγµένες r, φ) υλικού σηµεί ου που δέχεται κεντρική δύναµη F r) έχει την µορφή: d u d + u = - m Fr) ) L u όπου m η µάζα του υλικού σηµείου, L η σταθερή στροφορµή του περί το κέντρο Ο της δύναµης και u=/r. Στην περίπτωση που η τροχιά του υλικού σηµείου εντός κεντρικού πεδίου δυνάµεων έχει την µορφή κωνικής τοµής, δηλαδή περιγράφεται από την εξίσωση a) θα έχουµε: r = + e" u = + e" du d = -e"µ d u d = -e" ) Όµως από την a) προκύπτει ακόµη η σχέση: u = + e" e" = u - οπότε η ) γράφεται: d u d = -u + = -u 3) Συνδυάζοντας την ) µε την 3) παίρνουµε: ----------------------------------------------------- * Bλέπε ανάρτηση ΘΕΜΑ 6ο) htt://mfysikos.wordress.com/0//04/οκτω-λυµενα-θεµατα-για-σπουδαστεσ-φυσ/

-u + u = - m L u Fr) = - mr Fr) L Fr) = - L m r Fr) = - k r 4) µε k=l /m. H σχέση 4) δήλώνει ότι η κεντρική δύναµη F r) είναι ελκτική και ακολουθεί τον νόµο του αντιστροφου τετραγώνου της απόστασης r από το ελκτικό κέντρο. ii) Στην περίπτωση που η τροχιά του υλικού σηµείου είναι παραβολή µε την εστία της να συµπίπτει µε το ελκτικό κέντρο Ο, τότε θα είναι e= το δε πλησι έστερο προς το Ο σηµείο της Α θα απέχει απόσταση r 0 για την οποία ισχύει: r 0 = + "0 0 = Εξάλλου το διάνυσµα της ταχύτητας v 0 του υλικού σηµείου στην θέση Α είναι κάθετο στην αντίστοιχη επιβατική ακτίνα OA και θα ισχύει: 5) 5) L = mv 0 OA = mv 0 r 0 v 0 = L /mr 0 v 0 = L /m 6) Η µηχανική ενέργεια Ε του υλικού σηµείου θα διατηρείται σταθερή και ίση µε το άθροισµα Κ Α +U A, δηλαδή θα ισχύει: E = K A + U A = mv 0 - k 5),6) r 0 E = m L & " m L - " m & = 0 7) Σχήµα 0 Επειδή και η µηχανική ενέργεια του υλικού σηµείου στην θέση Μ µε πολική γωνία π/, είναι µηδενική, θα έχουµε: 0 = K M + U M = mv M - k v r M = M k mr M = L m mr M

v M = L m + "/) = L m όπου v M η ταχύτητα του υλικού σηµείου στο σηµείο Μ. P.M. fysikos Υλικό σηµείο µάζας m εκτελεί επίπεδη κίνηση υπό την επίδραση κεντρικής δύναµης F, η δε τροχιά του σε πολικές συντεταγµένες r, φ) περιγράφεται από την σχέση: r = e k" όπου α, k σταθερες θετικές ποσότητες µε k> 3. i) Εάν L είναι η σταθερή στροφορµή της µάζας m περί το το κέντρο Ο από το οποίο εκπορεύεται η δύναµη, να βρεθεί η σχέση που περιγρά φει την δύναµη. ii) Kάποια στιγµή που η ταχύτητα του υλικού σηµείου είναι κάθετη στον πολικό άξονα και η απόστασή του από το κέντρο της δύναµης r 0 δέχεται ώθηση βραχείας διάρκειας που µηδενίζει την ακτινική του ταχύτητα και διπλασιάζει την εγκάρσια ταχύτητά του. Να βρεθεί η εξίσωση που καθορίζει την νέα τροχιά του. ΛΥΣΗ: i) Από την θεωρία των κεντρικών κινήσεων είναι γνωστό ότι η διαφο ρική εξίσωση* της τροχιάς υλικού σηµείου που βρίσκεται σε κεντρικό πεδίο δυ νάµεων, έχει την µορφή: d u d + u = - m Fr) ) L u όπου m η µάζα του υλικού σηµείου, L η στροφορµή του περί το κέντρο Ο της δύναµης F r) και u=/r. Στην περίπτωση που η τροχιά του υλικού σηµείου εντός του κεντρικού πεδίου δυνάµεων περιγράφεται σε πολικές συντεταγµένες r,φ) από την εξίσωση r = e k" θα έχουµε: r = e u = e- k k" " du d = - ke- k " = - k r d u d = k e - k = k " r ----------------------------------------------------- * Bλέπε ανάρτηση ΘΕΜΑ 6ο) ) htt://mfysikos.wordress.com/0//04/οκτω-λυµενα-θεµατα-για-σπουδαστεσ-φυσ/

Συνδυάζοντας τις σχέσεις ) και ) παίρνουµε: k r + r = - mr L Fr) k + = - mr3 L Fr) Fr) = - k + )L m r 3 3) H σχέση 3) δήλώνει ότι η κεντρική δύναµη F r) είναι ελκτική και ακολουθεί τον νόµο του αντίστροφου κύβου της απόστασης r από το ελκτικό κέντρο. ii) Θεωρώντας ως αρχή του χρόνου την στιγµή που το υλικό σηµείο δέχεται την ώθηση, µπορούµε να θεωρήσουµε µηδενική την πολική του γωνία την στιγ µή αυτή, ενώ r 0 θα είναι η αντίστοιχη πολική του ακτίνα. Επειδή µέσω της ώθησης διπλάσιάζεται η εγκάρσια συνιστώσα της ταχύτητάς του θα διπλασιάζε ται και η στροφορµή του περί το Ο, oπότε η διαφορική εξίσωση της νέας του τροχιάς σε πολικές συντεταγµένες θα έχει την µορφή: d 3) u d + u = - m 4L u Fr) ) d u d + u = k + 4 r d u d + u = mr 4L d u d + u = k + )u 4 k + )L m r 3 d u d - " k - 3 4 ' & u = 0 d u d - " u = 0 4) µε = k - 3)/4 > 0. Η 4) είναι µια οµογενής διαφορική εξίσωση δευτέρας τάξεως µε σταθερούς συντελεστες και δέχεται λύση της µορφής: u = C e -" + C e " 5) όπου C, C σταθερές ολοκλήρωσης που θα προσδιορισθούν από τις αρχικές συνθήκες κίνησης του υλικού σηµείου. Παραγωγίζοντας την 5) ως προς φ, έχουµε: du d = -"C e-" + "C e " du dt dt d = -"C e-" + "C e " ) - r dr d & = d' dt " r dt -C e-' +C e ' ) 6) dt =d dt -"C e -" +"C e " H 5) την χρονική στιγµή t=0 φ=0) δίνει: /r 0 = C + C 7) η δε 6) την ίδια χρονική στιγµή dr/dt=0, dφ/dt 0) δίνει:

" 0 = d ' dt& = 0 7) -C + C ) C = C C = C = /r 0 8) Mε βάση την 8) η 5) γράφεται: r = e-" + e " r 0 = cosh") r 0 r = r 0 cosh") 9) Σχήµα Σχήµα H 9) αποτελεί την εξίσωση της τροχιάς που θα ακολουθήσει το υλικό σηµείο µετά την ώθηση που θα δεκτεί. Στα σχήµατα ) και ) φαίνονται οι µορφές της τροχιάς του υλικού σηµείου πριν και µετά την ώθηση αντιστοίχως. P.M. fysikos Δύο σωµατίδια της ίδιας µάζας m, συνδέονται µετα ξύ τους µε ιδανικό ελατήριο σταθεράς k και αµελητέου φυσικού µή κους. Τα δύο σωµατίδια βρίσκονται αρχικά στις θέσεις A α, 0, 0), Α -α, 0, 0) και έχουν αντίστοιχες ταχύτητες v,0 =V j, v,0 = 0 όπου α, V θετικές σταθερές ποσότητες και j το µοναδιαίο διάνυσµα του άξονα y τρισορθογώνιου συστήµατος αξόνων Ο,xyz. i) Nα βρείτε την µορφή της σχετικής τροχιάς του ενός σωµατιδίου ως προς το άλλο και στην συνέχεια τις εξισώσεις κίνησης των δύο σωµα τιδίων στο σύστηµα αναφοράς του κέντρου µάζας τους και στο Ο,xyz. ii) Mε κατάλληλο µηχανισµό τηλεχειρισµού µπορούµε να αλλάξουµε ακαριαία την σταθερά του ελατηρίου όσο θέλουµε, χωρίς να αλλάξου µε την θέση και την στροφορµή του συστήµατος περί το κέντρο µά ζας τους. Ποια στιγµή πρέπει να ενεργοποιήσουµε τον µηχανισµό, ώστε στην συνέχεια η απόσταση των δύο σωµατιδίων να διατηρείται σταθερή; Ποιες είναι οι δυνατές τιµές της σταθερής αυτής απόστασης και πόσο πρέπει να µεταβληθεί η σταθερά k; ΛΥΣΗ: i) H σχετική κινηση του ενός σωµατιδίου π.χ του Σ ) ως προς το άλλο δηλαδή το Σ ) είναι ισοδύναµη µε την κίνηση ενός υποθετικού σωµατιδίου µάζας ίσης προς την ανηγµένη µάζα µ=m/ του συστήµατος, αν σ αυτό ενερ

γούσε η αντίστοιχη δύναµη F από το τεντωµένο ελατήριο. Επειδή η δύναµη F είναι κεντρική µε κατευθυνση προς το Α η κίνηση της ανηγµένης µάζας είναι επίπεδη µε επίπεδο κίνησης xy, που ταυτίζεται µε το επίπεδο που καθορί Σχήµα 3 ζει το διάνυσµα της ταχύτητας V και του διανύσµατος θέσεως A A της ανηγ µένης µάζας µ την στιγµή t=0. Εφαρµόζοντας για την ανηγµένη µάζα τον δεύτερο νόµο κίνησης του Νεύτωνα παίρνουµε την σχέση: µ d r dt = F m d r dt d r dt + r = 0 µε = k m = -k r d r dt + k m r = 0 όπου r το σχετικό διάνυσµα θέσεως της ανηγµένης µάζας ως προς το Σ την τυχαία χρονική στιγµή t σχ. 3). Η ) είναι µια οµογενής διαφορική εξίσωση δεύτερης τάξεως µε σταθερούς συντελεστές και δέχεται λύση της µορφής: r = C µ"t + C "t ) όπου C, C σταθερά διανύσµατα, που θα προσδιορισθουν από τις αρχικές συν θήκες κίνησης της ανηγµένης µάζας. Παραγωγίζοντας την ) ως προς τον χρό νο t παίρνουµε την ταχύτητα v " της ανηγµένης µάζας, δηλαδή την σχετική ταχύτητα του Α ως προς το Α την χρονική στιγµή t. Έτσι θα έχουµε: v " = d r / dt = C t - C &µt 3) ) Για t=0 οι σχέσεις ) και 3) δίνουν: i = C V j = " C C = V j / C = " i 4) Συνδυάζοντας τις σχέσεις ) και 4) παίρνουµε:

r = Vµ"t j /" + &"t i 5) Εξάλλου το κέντρο µάζας C των δύο σωµατιδίων, συµφωνα µε το θεώρηµα κίνη σης του κέντρου µάζας, έχει στο σύστηµα αναφοράς Ο,xyz µηδενική επιτάχυν ση την δε χρονική στιγµή t=0 βρίσκεται στην αρχή Ο του συστήµατος r = 0 ) και έχει ταχύτητα v C = V + 0 )/, δηλαδή το κέντρο µάζας κινείται πάνω τον άξονα y µε σταθερή ταχύτητα v C = V /, που σηµαίνει ότι το σύστηµα αναφοράς του κέντρου µάζας είναι ένα αδρανειακό σύστηµα. Εξετάζοντας τα δύο σωµατίδια στο σύστηµα αυτό παρατηρούµε ότι τα διανύσµατα θέσεώς τους ως προς το κέν τρο µάζας είναι: r = r / r = - r / " 5) r = "t i + V &µt / ) j r = -"t i - V &µt / j ) ') *) 6) Εάν x, y ), x, y ) είναι οι καρτεσιανές συντεταγµένες των σωµατιδίων Α, Α αντιστοίχως στο σύστηµα αναφοράς του κέντρου µάζας τους θά έχουµε: x = "t, y = V&µt / x = -"t, y = -V&µt / ' ) x = " t, y = V / x = " t, y = V / ) &µ t ) &µ t ' ) *) Σχήµα 4 Σχήµα 5 x / = " t, y / V / x / = " t, y / V / ) = &µ t ) = &µ t ' ) *) ) = ) = x / + y / V / " x / + y / V / " & 7)

Οι σχέσεις 7) δηλώνουν ότι τα δύο σωµατίδια στο σύστηµα αναφοράς του κέν τρου µάζας τους κινούνται πάνω στην ίδια ελλειπτική τροχιά που έχει κέντρο το C και ηµιάξονες α και V/ω σχ. 4). Εξάλου εάν R, R είναι τα διανύς µατα θέσεως των σωµατιδίων Α, Α ως προς το σύστηµα αναφοράς Ο,xyz και R C το αντίστοιχο διάνυσµα θέσεως του κέντρου µάζας C σχ. 5), θα έχουµε τις σχέσεις: R = R C + r / R = R C - r / " 6) R = Vt j / + "t i + V / ) &µt j R = Vt j / - "t i - V / )&µt j Οι σχέσεις 8) αποτελούν τις εξισώσεις κίνησης των δύο σωµατίδιων στο σύστη µα αναφοράς Ο,xyz. ii) Για να µένει σταθερή η απόσταση ανάµεσα στα δύο σωµατίδια καθώς αυτά θα κινούνται υπό την επίδραση των ελαστικών δυνάµεων από το ελατήριο που τα συνδέει, πρέπει η ελλειπτική τροχιά τους στο σύστηµα αναφοράς του κέν τρου µάζας τους να µετατραπεί σε κυκλική τροχιά. Τότε όµως η ελαστική δύναµη θα αποτελεί διαρκώς κεντροµόλο δύναµη για κάθε σωµατίδιο, δηλαδή πρέπει κάθε στιγµή ο φορέας της να είναι κάθετος στην σχετική του ταχύτητα. Άρα η αλλαγή της σταθεράς του ελατηρίου µε τηλεχειρισµό πρέπει να επιχει ρηθεί ή την στιγµή που τα σωµατίδια βρισκονται στις θέσεις α, α ή στις στις θέσεις β, β σχ. 4). Αυτό σηµαίνει ότι η απόσταση των δύο σωµατιδίων µπορεί να είναι ή α ή V/ω. Στην πρώτη περίπτωση θα ισχύει για το σωµατίδιο, όταν αυτό βρίσκεται στην θέση α η σχέση: mv / = k m V / ) = k k = mv /8 9) όπου k η νέα σταθερά του ελατηρίου και v η σχετική του ταχύτητα στην θέση α ίση µε V / λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορµής του περί το κέντρο µάζας C. Στην δεύτερη περίπτωση θα ισχύει για το ίδιο σωµατίδιο όταν αυτό βρίσκεται στην θέση β η σχέση: mv V / = k V k = mv 0) V όπου k η νέα σταθερά του ελατηρίου και v η σχετική του ταχύτητα στην θέση β. Όµως λόγω διατήρησης της στροφορµής του σωµατιδίου περί το κέντρο µά ζας C θα ισχύει και η σχέση: mv V / = mv" / v = " οπότε η 0) γράφεται: ') *) 8) k = m " V = k / m ) m" V = 8k " mv P.M. fysikos