...

תילגעמ העונת - 4 התיכ ליגרת הירואת ריצקת 1 הקיטמניק

by user

on
Category: Documents
11

views

Report

Comments

Transcript

תילגעמ העונת - 4 התיכ ליגרת הירואת ריצקת 1 הקיטמניק
‫פיסיקה ‪1‬ב‬
‫סמסטר אביב תשע"ב‬
‫אוניברסיטת בן גוריון‬
‫המחלקה לפיסיקה‬
‫תרגיל כיתה ‪ - 4‬תנועה מעגלית‬
‫‪1‬‬
‫תקציר תאוריה‬
‫קינמטיקה‬
‫• בתנועה מעגלית מתקיים ‪.v = Rω ,s = Rθ‬‬
‫• לגוף הנע בתנועה מעגלית יש תאוצה צנטריפטלית כלפי מרכז המעגל‬
‫• עבור תנועה במהירות קבועה‪ ,‬זמן המחזור והתדירות הם ‪ω = 2πf‬‬
‫‪v2‬‬
‫‪R‬‬
‫= ‪.ar‬‬
‫‪f = T1 ,‬‬
‫‪2πr‬‬
‫‪,‬‬
‫‪v‬‬
‫= ‪.T‬‬
‫• רכיבי המקום‪ ,‬המהירות והתאוצה בקואורדינטות קרטזיות )כאשר ‪ θ‬הזוית יחסית לציר ‪(θ = ωt ,x‬‬
‫̂‪~r = R cos (ωt) x̂ + R sin (ωt) y‬‬
‫̂‪~v = −ωR sin (ωt) x̂ + ωR cos (ωt) y‬‬
‫‪~a = −ω 2 R cos (ωt) x̂ − ω 2 R sin (ωt) ŷ = −ω 2~r‬‬
‫דינמיקה‬
‫• כאשר גוף נע בתנועה מעגלית‪ ,‬סכום הכוחות בכיוון מרכז המעגל שווה לכוח הצנטריפטלי‬
‫‪mv 2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪Fr = mar‬‬
‫‪X‬‬
‫תרגילים‬
‫‪ .1‬טייס מטיס מטוס בלולאה אנכית במהירות ‪ v‬וברדיוס ‪ .R‬מסת הטייס ‪ .m‬באיזה כוח לוחץ הטייס על‬
‫מושב המטוס בנקודות ‪ A, B, C‬באיור?‬
‫‪1‬‬
‫אוניברסיטת בן גוריון‬
‫המחלקה לפיסיקה‬
‫פיסיקה ‪1‬ב‬
‫סמסטר אביב תשע"ב‬
‫‪C‬‬
‫‪Top‬‬
‫‪BA‬‬
‫‪ABottom‬‬
‫פתרון‬
‫בנקודה ‪ ,A‬תרשים הכוחות נראה כך‪:‬‬
‫‪n bot‬‬
‫‪mg‬‬
‫משוואת הכוחות‪:‬‬
‫‬
‫‪v2‬‬
‫‪+g‬‬
‫‪R‬‬
‫‬
‫‪N =m‬‬
‫⇒=‬
‫בנקודה ‪ ,B‬תרשים הכוחות נראה‪:‬‬
‫‪N‬‬
‫‪mg‬‬
‫‪2‬‬
‫‪mv 2‬‬
‫= ‪Fr = N − mg‬‬
‫‪R‬‬
‫‪X‬‬
‫אוניברסיטת בן גוריון‬
‫המחלקה לפיסיקה‬
‫פיסיקה ‪1‬ב‬
‫סמסטר אביב תשע"ב‬
‫ל־ ‪ N‬יש ‪ 2‬רכיבים‪ ,‬משיקי ורדיאלי‪ .‬משוואת הכוחות‪:‬‬
‫‪mv 2‬‬
‫‪R‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Ft = Nt − mg = 0‬‬
‫= ‪Fr = Nr‬‬
‫‪Nt = mg‬‬
‫⇒=‬
‫‪X‬‬
‫ולכן הכוח הנורמלי הוא‬
‫‪s‬‬
‫‪ 2 2‬‬
‫‪q‬‬
‫‪v‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪N = Nr + Nt = m g +‬‬
‫‪R‬‬
‫בנקודה ‪ ,C‬תרשים הכוחות נראה‪:‬‬
‫‪ntop‬‬
‫‪mg‬‬
‫משוואת הכוחות‪:‬‬
‫‬
‫‪v2‬‬
‫‪−g‬‬
‫‪R‬‬
‫‬
‫‪N =m‬‬
‫⇒=‬
‫‪mv 2‬‬
‫= ‪Fr = N + mg‬‬
‫‪R‬‬
‫‪X‬‬
‫ניתן לראות שהכוח הנורמלי גדול ביותר ב־‪ ,A‬וקטן ביותר ב־‪.C‬‬
‫‪ .2‬חרוז נמצא על חישוק חסר חיכוך בעל רדיוס ‪ R‬המסתובב סביב ציר אנכי במהירות זוויתית ‪ ,ω‬כמוראה‬
‫באיור‪.‬‬
‫‪ω‬‬
‫‪R‬‬
‫‪θ‬‬
‫)א( בהינתן ‪ ,θ‬מה צריכה להיות התדירות הזוויתית ‪ ω‬כדי שהחרוז ישאר במנוחה?‬
‫)ב( ישנו ערך מיוחד של ‪ .ω‬מהו הערך‪ ,‬ומדוע הוא מיוחד?‬
‫פתרון‬
‫)א( נרשום את משוואות הכוחות בצירים ‪ x‬ו־‪:y‬‬
‫‪Fy = 0‬‬
‫‪X‬‬
‫)‪Fx = N sin θ = mω 2 (R sin θ‬‬
‫‪X‬‬
‫‪N cos θ = mg‬‬
‫)‪(1‬‬
‫‪N = mω 2 R‬‬
‫⇒=‬
‫‪3‬‬
‫⇒=‬
‫פיסיקה ‪1‬ב‬
‫סמסטר אביב תשע"ב‬
‫אוניברסיטת בן גוריון‬
‫המחלקה לפיסיקה‬
‫נציב ל־)‪:(1‬‬
‫‪g‬‬
‫‪R cos θ‬‬
‫‪r‬‬
‫⇒=‬
‫=‪ω‬‬
‫‪mω 2 R cos θ = mg‬‬
‫‪p‬‬
‫)ב( עבור ‪ ,cos θ = 1‬כלומר ‪ ,θ = 0‬נקבל את הערך המינימלי של ‪ .ωmin = g/R ,ω‬זהו הערך‬
‫המיוחד‪ .‬המשמעות היא שאם נסובב את החישוק בתדירות קטנה מזו‪ ,‬החרוז לא ינוע בתנועה‬
‫מעגלית‪ ,‬אלא ישאר במנוחה‪p‬בתחתית החישוק‪ .‬אם נתחיל מ־‪ω = 0‬ונגדיל את תדירות הסיבוב‬
‫בהדרגה‪ ,‬אז כשנגיע ל־ ‪ g/R‬החרוז יתחיל להתרומם‪.‬‬
‫‪ .3‬מכונית נוסעת בכביש מעגלי שרדיוסו ]‪ 100 [m‬המוגבה בזווית של ‪ .θ = 10o‬מקדם החיכוך הסטטי בין‬
‫המכונית לכביש הוא ‪ .0.3‬מהי המהירות המשיקית המקסימלית האפשרית כך שהמכונית תמשיך במסלול‬
‫המעגלי ? מה יקרה אם תעבור המכונית מהירות זו?‬
‫)‪(side view‬‬
‫‪θ‬‬
‫פתרון‬
‫ככל שהמהירות גבוהה יותר‪ ,‬הכוח הצנטריפטלי הנדרש גדול יותר‪ .‬לכן כאשר המהירות מקסימלית‪ ,‬רכיב‬
‫כוח החיכוך הרלוונטי יהיה למרכז המעגל כדי לתמוך בתנועה זו‪ ,‬ולא החוצה ממנו‪ .‬עבור מהירות גבוהה‬
‫מזו המכונית תעוף החוצה‪ .‬אם היינו נדרשים לחשב מהירות מינימלית‪ ,‬כוח החיכוך היה החוצה‪ .‬נבחר‬
‫צירים אופקי ואנכי )כך שיש רכיב בכיוון מרכז המעגל(‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪X‬‬
‫‪mvmax‬‬
‫= ‪Fx = fs,max cos θ + N sin θ‬‬
‫‪R‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Fy = N cos θ − fs,max sin θ − mg = 0‬‬
‫כעת נציב ‪.fs,max = µs N‬‬
‫‪2‬‬
‫‪mvmax‬‬
‫‪R‬‬
‫‪N (cos θ − µs sin θ) = mg‬‬
‫= )‪N (µs cos θ + sin θ‬‬
‫נחלק את ‪ 2‬המשוואות זו בזו‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫‪vmax‬‬
‫‪µs cos θ + sin θ‬‬
‫=‬
‫‪Rg‬‬
‫‪cos θ − µs sin θ‬‬
‫‬
‫‪s‬‬
‫‬
‫‪µs cos θ + sin θ‬‬
‫‪= Rg‬‬
‫=‬
‫‪cos θ − µs sin θ‬‬
‫‪s‬‬
‫‬
‫‬
‫‪0.3 · cos 10o + sin 10o‬‬
‫· ‪= 100 · 10‬‬
‫‪cos 10o − 0.3 · sin 10o‬‬
‫]‪= 22.4 [m/s‬‬
‫‪4‬‬
‫‪vmax‬‬
‫⇒=‬
Fly UP