Dynamika
Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:
• Siły spr ˛e˙zyste i opory ruchu
• Prawa ruchu w układzie nieinercjalnym
⇒ siły bezwładno´sci
• Zasada zachowania p ˛edu
• Zasada zachowania momentu p ˛edu
• Ruch ciał o zmiennej masie
Siła spr ˛e˙zysta
Prawo Hooke’a
Opisuje zale˙zno´s´c siły spr ˛e˙zystej od odkształcenia ciała:
∆ L L
S
F
F = E S ∆L L
E - moduł Younga [N/m 2 ]
napr ˛e˙zenie odpowiadaj ˛ ace dwukrotnemu wydłu˙zeniu
Prawo Hooke’a jest prawem empirycznym Jest słuszne tylko dla małych napr ˛e˙ze ´n.
granica proporcjonalno´sci ↑ (P r) granica wytrzymało´sci ↓
Cu: E = 1.2 · 10
11 Nm2P r = 1.9 · 10
8 Nm2P r ∼ 10
−3E
Siła spr ˛e˙zysta
Relaksacja
Prawo Hooke’a odnosi si ˛e do sytuacji statycznej.
Od momentu przyło˙zenia siły do osi ˛ agni ˛ecia odpowiedniego odkształcenie mija sko ´nczony czas - czas relaksacji
podobnie gdy siła przestanie działa´c
Histereza
Przyło˙zenie du˙zej siły, nawet na krótki czas mo˙ze powodowa´c trwałe
odkształcenie
⇒ trzeba przyło˙zy´c sił ˛e
przeciwnie skierowan ˛ a
Tarcie
Tarcie kinetyczne
T
N R
v
Siła pojawiaj ˛ aca si ˛e mi ˛edzy dwoma powierzchniami
poruszaj ˛ acymi si ˛e wzgl ˛edem siebie, dociskanymi sił ˛ a N.
Scisły opis sił tarcia jest bardzo skomplikowany. ´
⇒ Prawo empiryczne:
T = −µ ~ k ~i v N ~i v = ~v v Siła tarcia kinetycznego:
• jest proporcjonalna do ⊥ siły dociskaj ˛ acej
• nie zale˙zy od powierzchni zetkni ˛ecia
• nie zale˙zy od pr ˛edko´sci
Prawo empiryczne ⇒ przybli˙zone !!!
Tarcie
Obraz mikroskopowy
Tarcie wywołane jest przez oddziaływanie elektromagnetyczne cz ˛ astek stykaj ˛ acych si ˛e ciał.
Powierzchnie nigdy nie s ˛ a idealnie równe na poziomie mikroskopowym cz ˛ astki
jednego ciała “blokuj ˛ a drog ˛e” cz ˛ astkom drugiego ciała
⇒ musz ˛ a zosta´c “odepchni ˛ete”
wypolerowana mied´z ⇒
Tarcie
Zale˙zno´s´c od nacisku
Powierzchnia rzeczywistego (mikroskopowego) styku ciał jest w normalnych warunkach wiele rz ˛edów wielko´sci mniejsza ni˙z powierzchnia geometryczna:
siła ułamek
dociskaj ˛ aca powierzchni 1 N/cm 2 0.00001 2.5 N/cm 2 0.000025
50 N/cm 2 0.0005 250 N/cm 2 0.0025 (płytki stalowe)
⇒ efektywna powierzchnia styku proporcjonalna do nacisku
⇒ liczba oddziaływa ´n na poziomie
atomowym proporcjonalna do nacisku
Tarcie
Odst ˛epstwa od praw empirycznych
Przy du˙zych pr ˛edko´sciach mo˙ze si ˛e pojawi´c zale˙zno´s´c µ k od pr ˛edko´sci v :
stal i mied´z
Przy bardzo du˙zych pr ˛edko´sciach mied´z ulega chwilowemy stopieniu...
Przy du˙zych siłach dociskaj ˛ acych mog ˛ a si ˛e pojawi´c odst ˛epstwa od zale˙znosci liniowej:
mied´z i mied˙z
Przy du˙zym nasisku zniszczeniu ulega
warstwa tlenków na powierzchni miedzi...
Tarcie
Scieranie ´
Na poziomie mikroskopowym tarcie prowadzi trwałych zmian w stykaj ˛ acych si ˛e powierzchniach.
Fragmenty miedzi przył ˛ aczone do powierzchni stali:
Smarowanie
Tarcie zmniejszamy wprowadzaj ˛ ac smar mi ˛edzy poruszaj ˛ ace si ˛e powierzchnie.
Powierzchnie nie stykaj ˛ a si ˛e ⇒ brak tarcia
⇒ pojawia si ˛e jednak nowa siła oporu
zwi ˛ azana z lepko´sci ˛ a
Tarcie
Tarcie statyczne
T R
N mg
Ciało pozostaje w równowadze dzi ˛eki działaniu tarcia statycznego
Siła działaj ˛ aca mi ˛edzy dwoma powierzchniami
nieruchomymi wzgl ˛edem siebie, dociskanymi sił ˛ a N.
Maksymalna siła tarcia statycznego T S max jest równa najmniejszej sile F jak ˛ a nale˙zy przyło˙zy´c do ciała, aby ruszy´c je z miejsca.
Prawo empiryczne:
T ~ S max = −µ s ~i F N ~i F = F ~
F
Tarcie
Tarcie statyczne
Póki przyło˙zona siła F ~ jest mała, tarcie statyczne utrzymuje ciało w spoczynku:
T ~ s = − ~ F
⇒ siła tarcia ro´snie proporcjonalnie do przyło˙zonej siły.
Gdy przyło˙zona siła przekroczy warto´s´c T S max = µ s · N ciało zaczyna si ˛e porusza´c ⇒ tarcie kinetyczne
T s
Tarcie kinetyczne naogół słabsze od spoczynkowego: µ k < µ s
Tarcie
K ˛ at graniczny
R
Q T
α α
N
Jest to maksymalny k ˛ at nachylenia równi, przy którym siła tarcia pozwala na utrzymanie go w równowadze. Z warunku równowagi:
T = Q sin α N = Q cos α
Z definicji współczynnika tarcia statycznego:
T S max = µ S · N Otrzymujemy:
Q sin α gr = µ S · Q cos α gr
µ S = tan α gr
Tarcie
Współczynniki tarcia
Przykładowe współczynniki dla wybranych materiałów:
Hamowanie samochodu:
wa˙zne aby koła nie zacz ˛eły si ˛e ´slizga´c
• po´slizg ⇒ µ k
• dobry kierowca lub ABS ⇒ µ s
zysk ∼ 40% na drodze hamowania
Tarcie
Tarcie toczne
r µ
F
Q R
N
Tocz ˛ ace si ˛e ciało odkształca zawsze powierzchni ˛e po której si ˛e toczy.
Poza tarciem statycznym i kinetycznym (po´slizgowym) mamy tarcie toczne:
T ~ t = −µ t ~i F N r
Współczynnik tarcia tocznego µ t jest zwykle bardzo mały
Przykładowo:
• drewno + drewno ⇒ µ t = 0,0005 m
• stal hartowana + stal ⇒ µ t = 0,00001 m
(wymiar długo´sci!)
Układ inercjalny
Zasada bezwładno´sci
“Ka˙zde ciało trwa w swym stanie spoczynku lub ruchu prostoliniowego i jednostajnego, je´sli siły przyło˙zone nie zmuszaj˙z ciała do zmiany tego stanu.” I.Newton
Układ odniesienia w którym spełniona jest zasada bezwładno´sci nazywamy układem inercjalnym
Zasada bezwładno´sci jest równowa˙zna z postulatem itnienia układu inercjalnego W układzie inercjalnym ruch ciała jest jednoznacznie zadany przez
działaj ˛ ace na nie siły zewn ˛etrzne (równanie ruchu) + warunki pocz ˛ atkowe m d 2 ~ r(t)
dt 2 = ~ F (~ r, ~v, t) + ~ F R
~ r(t 0 ) = ~r 0 ~v(t 0 ) = ~v 0
Układy nieinercjalne
Opis ruchu
Wózek porusza si ˛e z przyspieszenien ~a wzgl ˛edem stołu
a
Z punktu widzenia obserwatora zwi ˛ azanego ze stołem kulka pozostaje w spoczynku.
Wynika to z zasady bezwładno´sci - siły działaj ˛ ace na kulk ˛e równowa˙z ˛ a si ˛e
F = 0 ⇔ ~a = 0 ~
−a
Z punktu widzenia obserwatora zwi ˛ azanego z wózkiem kulka porusza si ˛e z przyspieszeniem −~a
⇒ prawa Newtona nie s ˛ a spełnione !?
Oba układy nie mog ˛ a by´c inercjalne.
Prawa ruchu w układzie nieinercjalnym
wymagaj ˛ a modyfikacji
Układy nieinercjalne
Prawa ruchu
Przyjmijmy, ˙ze układ O’ porusza si ˛e wzgl ˛edem układu inercjalnego O.
Osie obu układów pozostaj ˛ a cały czas równoległe (brak obrotów)
Niech ~ r ◦ (t) opisuje poło˙zenie układu O’ w O. Przyspieszenie: ~a ◦ = d
2~ r
◦dt
2Ruch punktu materialnego mierzony w układach O i O’:
~ r = ~r ′ + ~ r ◦
Przyspieszenie punktu materialnego mierzone w układach O i O’:
~a = ~a ′ + ~a ◦ Prawa ruchu w układzie inercjalnym O:
m~a = ~ F (~ r, ~v, t) + ~ F R
⇒ w układzie nieinercjalnym O’:
m~a ′ = ~ F (~ r ′ , ~v ′ , t) + ~ F R − m~a ◦
⇒ w układzie nieinercjalnym musimy wprowadzi´c sił ˛e bezwładno´sci F ~ b = −m~a ◦
Układy nieinercjalne
Prawa ruchu
Wahadło w układzie nieinercjalnym poruszaj ˛ acym si ˛e z przyspieszeniem
~a wzgl ˛edem układu inercjalnego
−a
Θ R
mg F b
o
Oprócz siły ci ˛e˙zko´sci m~g i reakcji R ~ musimy uwzgl ˛edni´c pozorn ˛ a sił ˛e bezwładno´sci F ~ b = −m~a ◦
Opis ruchu mo˙zna upro´sci´c wprowadzaj ˛ ac efektywne przyspieszenie ziemskie:
~g ′ = ~g − ~a ◦
siły bezwładno´sci ≡ siły grawitacji
⇒ odchylenie poło˙zenia równowagi:
tan θ = a ◦ g Przyspieszenie drga ´n:
ω ′ 2 = g ′ l =
q
g 2 + a 2
l
Układy nieinercjalne
Prawa ruchu
Je´sli a ◦ ≪ g ⇒ w układzie poruszaj ˛ acym si ˛e z przyspieszeniem ~a ◦ ⊥ ~g obserwujemy pozorn ˛ a zmian ˛e kierunku działania siły ci ˛e˙zko´sci:
Ciecz w naczyniu:
~a = 0 ~a 6= 0
Balon z helem:
~a = 0 ~a 6= 0
Układy nieinercjalne
Równia
α −a
F b
o
R mg
siły działaj ˛ ace w układzie wózka
Wózek zsuwa si ˛e bez tarcia po równi pochyłej.
Zaniedbuj ˛ ac ruch obrotowy kół przyspieszenie wózka:
a ◦ = g sin α
W układzie zwi ˛ azanym z wózkiem działa- j ˛ aca na wahadło siła bezwładno´sci jest równa co do warto´sci (lecz przeciwnie skierowana) równoległej składowej ci ˛e˙zaru.
Na wahadło działa pozorna siła ci ˛e˙zko´sci prostopadła do powierzchni równi.
g ′ = g ⊥ = g cos α < g
⇒ spowolnienie drga ´n
Układy nieinercjalne
Spadek swobodny
W układzie odniesienia poruszaj ˛ acym si ˛e z przyspieszeniem ~a ◦ ||~g obserwujemy pozorn ˛ a zmian ˛e warto´sci przyspieszenie grawitacyjnego:
~g ′ = ~g − ~a ◦
W układzie zwi ˛ azanym z ciałem spadaj ˛ acym swobodnie ~a ◦ = ~g
~g ′ = 0
⇒ stan niewa˙zko´sci
Zasada zachowania p ˛edu
Układ izolowany
Ka˙zde ciało mo˙ze w dowolny sposób
oddziaływa´c z innymi elementami układu.
F F
12 21
1
2
4
3
Brak oddziaływa ´n ze ´swiatem zewn ˛etrznym
III zasada dynamiki
Siły z którymi działaj ˛ a na siebie ciała i i j : F ~ ij = − ~ F ji
Suma sił działaj ˛ acych ciało i:
F ~ i Σ = X
j
F ~ ji
Suma sił działaj ˛ acych na układ:
F ~ tot = X
i
F ~ i Σ = X
i
X j
F ~ ji
= X
j
X
i
− ~ F ij = − ~ F tot
⇒ F ~ tot = 0
Zasada zachowania p ˛edu
II zasada dynamiki d~ p i
dt = ~ F i Σ
dp 2 1
2
4
3
dp 1
dp
dp 3
4
izolowany układ inercjalny
P˛ed układu
Prawo ruchu układu:
F ~ tot = X
i
F ~ i Σ = X
i
d~ p i dt
= d dt
X
i
~ p i
F ~ tot = 0 ⇒ X
i
~
p i =
onstDla dowolnego układu izolowanego,
suma p ˛edów wszystkich elementów
układu pozostaje stała.
Zasada zachowania p ˛edu
Oddziaływanie dwóch ciał
M
1M
2M 1 < M 2
V
1V
2Układ “rozpada si ˛e” pod wpływem sił wewn ˛etrznych.
Je´sli na pocz ˛ atku wszystkie obiekty spoczywaj ˛ a
X i
~
p i = 0
to i po “rozpadzie” suma p ˛edów musi by´c równa 0.
Dwa ciała: (v i ≪ c) m 1 ~v 1 + m 2 ~v 2 = 0
⇒ ~v 2 = − m 1
m 2 · ~v 1
⇒ v 2
v 1 = m 1
m 2
Zasada zachowania p ˛edu
Oddziaływanie dwóch ciał
R
Q R
α
a
ra
r
Q
ra a
x y
y
x
N
m M
Równia rusza si ˛e bez tarcia po poziomym stole.
Klocek zsuwa si ˛e bez tarcia po równi.
Na układ działaj ˛ a siły zewn ˛etrzne:
• siły ci ˛e˙zko´sci Q i Q r
• oraz siła reakcji stołu R r
Ale wiemy, ˙ze siły ta działaj ˛ a wzdłu˙z kierunku pionu (prostopadle do powierzchni stołu).
Siły zewn ˛etrzne mog ˛ a zmienia´c składow ˛ a pionow ˛ a p ˛edu układu równia-klocek.
Ale składowa pozioma b ˛edzie wci ˛ a˙z zachowana!
Uwzgl ˛edniaj ˛ ac, ˙ze pr ˛edko´s´c i przyspieszenie równi s ˛ a skierowane przeciwnie do osi X:
−mV r + M V x = const ⇔ ma r = M a x
Kierunek przyspieszenia klocka nie jest równoległy do powierzchni równi!
Zasada zachowania p ˛edu
Oddziaływanie dwóch ciał
R
Q
α
F
ba’
−a
rM
Zagadnienie daje si ˛e łatwiej rozwi ˛ aza´c, gdy przejdziemy do układu nieinercjalnego zwi ˛ azanego z równi ˛ a. W układzie tym na klocek działa dodatkowo siła bezwładno´sci
F ~ b = −~a r M
Przyspieszenie klocka (wzdłu˙z równi!):
a ′ = g sin α + a r cos α Mo˙zemy teraz wyznaczy´c składow ˛ a X tego przyspieszenia w układzie stołu, i porówna´c z wrto´sci ˛ a oczekiwan ˛ a z zasady zachowania p ˛edu:
a x = a ′ cos α − a r = g sin α cos α − a r sin 2 α
M a x = ma r ⇒ a r = g M sin α cos α
m + M sin 2 α
Zasada zachowania p ˛edu
Oddziaływanie dwóch ciał
V
1V=0
M
2M
1V
2M
2M
1Zderzenie całkowicie niespr ˛e˙zyste
(po zderzeniu ciała trwale zł ˛ aczone)
P˛ed pocz ˛ atkowy: ~ p i = m 1 ~v 1
P˛ed ko ´ncowy: ~ p f = (m 1 + m 2 ) ·~v 2
Zasada zachowania p ˛edu:
~
p i = ~ p f
⇒ ~v 2 = m 1
m 1 + m 2 · ~v 1
Zasada zachowania momentu p ˛edu
Siły centralne
Je´sli układ ciał (lub pojedy ´ncze ciało) działa jaka´s siła zewn ˛etrzna F ~ tot 6= 0 to p ˛ed układu musi si ˛e zmienia´c: P p ~ i 6= const.
Siły które działaj ˛ a na układ cz ˛esto s ˛ a
siłami centralnymi - działaj ˛ a w kierunku ustalonego ´zródła siły.
Je´sli poło˙zenie ´zródła przyjmiemy za ´srodek układu ⇒ F ~ tot = F (r, . . .) ·~i r Przykład:
• siła grawitacyjna F (r) = −G m
1m
2r
2• siła kulombowska F (r) = 4πǫ Q
1Q
2◦
r
2• siła sp ˛e˙zysta F (r) = −k · r
Czy mo˙zna co´s “uratowa´c” z zasady zachowania p ˛edu ?...
Zasada zachowania momentu p ˛edu
Moment p ˛edu
Zdefiniujmy dla punktu materialnego:
L = ~ ~ r × ~ p ⇐ moment p ˛edu wzgl ˛edem O zale˙zy od wyboru pocz ˛ atku układu
Dla v ≪ c
L = m ~ ~ r × ~v
L = m r v sin θ
Zasada zachowania momentu p ˛edu
Moment p ˛edu
Ruch po płaszczy´znie:
L = m ~ ~ r × (~v r + ~v θ ) L = m r v θ
⇒ L = m r 2 dθ
dt = m r 2 ω Przypadek szczególny:
ruch po okr ˛egu - r=const Moment bezwładno´sci
I = m r 2
⇒ moment p ˛edu mo˙zemy przedstawi´c w ogólnej postaci
L = I ~ ~ ω
Zasada zachowania momentu p ˛edu
Moment siły
M = ~ ~ r × ~ F ⇐ moment siły wzgl ˛edem O
Równanie ruchu d~ L
dt = d(~ r × ~ p) dt
= d~ r
dt × ~ p + ~ r × d~ p dt
= ~v × ~ p + ~ r × ~ F
= 0 + M ~
M = 0 ~ ⇒ L = ~
onstZasada zachowania momentu p ˛edu
Cz ˛ astka swobodna
Moment p ˛edu wzgl ˛edem dowolnego punktu 0 pozostaje stały:
L = m v r sin θ = m v b =
onstb - parametr zderzenia
odległo´s´c najmniejszego zbli˙zenia do O
Siła centralna
Moment siły: (wzgl ˛edem ´zródła) M = ~ ~ r × ~ F
= ~r ×~i r · F (r, . . .) = 0
L ~ = const
Moment p ˛edu, liczony wzgl ˛edem ´zródła
siły centralnej pozostaje stały.
Zasada zachowania momentu p ˛edu
Pr ˛edko´s´c polowa
Pole jakie wektor wodz ˛ acy punktu zakre´sla w jednostce czasu: dS dt
dS OAB = 1
2 r rdθ = 1
2 |~ r × ~ dr| = 1
2 |~ r × ~v| dt
II prawo Keplera
dS
dt = 1
2 |~ r × ~v| = L
2 m =
onstW ruchu pod działaniem sił centralnych
pr ˛edko´s´c polowa jest stała.
Ruch ciał o zmiennej masie
Rozwa˙zmy ruch ciała o zmiennej masie. W ogólnym przypadku: m = m(~ r, ~v, t)
m
w v+dv
−dm Od ciała o masie m−dm poruszaj ˛ acego si ˛e
z pr ˛edko´sci ˛ a ~v odł ˛ acza si ˛e element
−dm > 0 poruszaj ˛ acy si ˛e z pr ˛edko´sci ˛ a w ~
( dm < 0 bo masa ciała maleje)
Z zasady zachowania p ˛edu:
(m − dm) ~v = m (~v + d~v) − dm ~ w
⇒ d~ p = m d~v = (m − dm) ~v − m ~v + dm ~ w
= dm ( w − ~v ~ ) ≡ dm ~v odrz
Siła odrzutu (siła ci ˛ agu rakiety):
F ~ odrz = d~ p
dt = dm
dt ~v odrz dm
dt < 0
Ruch ciał o zmiennej masie
Równanie ruchu
Ruch ciała pod wpływem siły odrzutu:
d~ p
dt = m d~v
dt = ~ F zewn + dm
dt ~v odrz
Zaniedbuj ˛ ac wpływ sił zewn ˛etrznych (np. pola grawitacyjnego):
m d~v
dt = dm
dt ~v odrz m d~v
dm · dm
dt = dm
dt ~v odrz m d~v
dm = ~v odrz
Całkuj ˛ ac stronami:
v
kZ
v
◦d~v
~v odrz =
m
kZ
m
◦dm m
⇒ ~v k = ~v ◦ + ~v odrz · ln
m k m ◦
wzór Ciołkowskiego
Ruch ciał o zmiennej masie
Rakieta jednostopniowa
Rakieta o masie m R ma wynie´s´c satelit ˛e o masie m S , zu˙zywaj ˛ ac paliwo o masie m P :
m m
m v
P R
S
odrz
Mo˙zliwa do uzyskania pr ˛edko´s´c ko ´ncowa:
v k = v odrz · ln m S + m R + m P m S + m R
!
≈ v odrz · ln(1 + f )
gdzie:
f = m P
m R m s ≪ m R stosunek masy paliwa do masy rakiety
Aby uzyska´c II pr ˛edko´s´c kosmiczn ˛ a v k ≈ 11 km/s (np. lot na Ksi ˛e˙zyc) przy silniku rakietowym o v ◦ = 3 km/s
f = exp
v k v ◦
− 1 ≈ 38
Teoretycznie mo˙zliwe,
praktycznie niewykonalne (?)...
i nieopłacalne !...
Ruch ciał o zmiennej masie
Rakieta dwustopniowa
Rakiet ˛e dzielimy na dwa człony o masach m ′ R i m ′′ R , m ′ R + m ′′ R = m R w których znajduje si ˛e paliwo o masie m ′ P i m ′′ P : m ′ P + m ′′ P = m P
’
’
"
"
m m m m
m
S P
R R
v
odrzPr ˛edko´s´c ko ´ncowa:
Pv k = v odrz ·
"
ln m S + m R + m P m S + m R + m ′′ P
!
+ ln m S + m ′′ R + m ′′ P m S + m ′′ R
!#
W przybli˙zeniu m S ≪ m ′′ R ≪ m ′ R : v k ≈ v odrz · 2 ln(1 + f )
Aby uzyska´c II pr ˛edko´s´c kosmiczn ˛ a v k ≈ 11 km/s przy o v ◦ = 3 km/s:
f = exp
v k 2 v ◦
− 1 ≈ 5.3
Dla f ≈ 10 (dla obu członów) mo˙zna wystrzeli´c w kosmos m S ≈ 0.6% (m R + m P )
′′