Egy újabb mozgásos felület - származtatási feladat

Hasonló dokumentumok
A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

Forgatónyomaték mérése I.

Egy kinematikai feladathoz

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Egy érdekes nyeregtetőről

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

A hordófelület síkmetszeteiről

A Cassini - görbékről

Egy érdekes statikai feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladattal.

A főtengelyproblémához

Egy háromlábú állvány feladata. 1. ábra forrása:

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

Fa rudak forgatása II.

Egy sajátos ábrázolási feladatról

A magától becsukódó ajtó működéséről

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Lépcső beemelése. Az interneten találkoztunk az [ 1 ] művel, benne az 1. ábrával.

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Érdekes geometriai számítások 10.

Aszimmetrikus nyeregtető ~ feladat 2.

Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

Egy érdekes mechanikai feladat

Egy újabb cérnás feladat

A gúla ~ projekthez 2. rész

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

Lövés csúzlival. Egy csúzli k merevségű gumival készült. Adjuk meg az ebből kilőtt m tömegű lövedék sebességét, ha a csúzlit L - re húztuk ki!

Ismét a fahengeres keresztmetszetű gerenda témájáról. 1. ábra forrása: [ 1 ]

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

Egymásra támaszkodó rudak

A síkbeli Statika egyensúlyi egyenleteiről

Befordulás sarkon bútorral

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

T s 2 képezve a. cos q s 0; 2. Kötélstatika I. A síkbeli kötelek egyensúlyi egyenleteiről és azok néhány alkalmazásáról

A kerekes kútról. A kerekes kút régi víznyerő szerkezet; egy gyakori változata látható az 1. ábrán.

Egy mozgástani feladat

Egy újabb látószög - feladat

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

Az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszeteiről

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Poncelet egy tételéről

1. ábra forrása: [ 1 ]

Egy variátor - feladat. Az [ 1 ] feladatgyűjteményben találtuk az alábbi feladatot. Most ezt dolgozzuk fel. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

A tűzfalakkal lezárt nyeregtető feladatához

Ellipszis átszelése. 1. ábra

Vonatablakon át. A szabadvezeték alakjának leírása. 1. ábra

Az eltérő hajlású szarufák és a taréjszelemen kapcsolatáról 1. rész. Eltérő keresztmetszet - magasságú szarufák esete

Egy kinematikai feladat

1. ábra forrása:

A= a keresztmetszeti felület cm 2 ɣ = biztonsági tényező

Egy másik érdekes feladat. A feladat

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

Egy általános helyzetű lekerekített sarkú téglalap paraméteres egyenletrendszere. Az egyenletek felírása

A visszacsapó kilincs működéséről

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

Kiegészítés a három erő egyensúlyához

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

Észrevételek a forgásfelületek síkmetszeteivel kapcsolatban. Bevezetés

Kecskerágás már megint

Két statikai feladat

Kocka perspektivikus ábrázolása. Bevezetés

Egy nyíllövéses feladat

Rönk kiemelése a vízből

1. ábra. 24B-19 feladat

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

Kosárra dobás I. Egy érdekes feladattal találkoztunk [ 1 ] - ben, ahol ezt szerkesztéssel oldották meg. Most itt számítással oldjuk meg ugyanezt.

Fénypont a falon Feladat

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

További adalékok a merőleges axonometriához

A Maxwell - kerékről. Maxwell - ingának is nevezik azt a szerkezetet, melyről most lesz szó. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is!

A csavart oszlop előállításáról

w u R. x 2 x w w u 2 u y y l ; x d y r ; x 2 x d d y r ; l 2 r 2 2 x w 2 x d w 2 u 2 d 2 2 u y ; x w u y l ; l r 2 x w 2 x d R d 2 u y ;

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

A gúla ~ projekthez 1. rész

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

Rönk mozgatása rámpán kötelekkel

A kardáncsukló kinematikája I. A szögelfordulások közti kapcsolat skaláris levezetése

6. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT Kidolgozta: Triesz Péter egy. ts. Négy erő egyensúlya, Culmann-szerkesztés, Ritter-számítás

A ferde tartó megoszló terheléseiről

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

EGY ABLAK - GEOMETRIAI PROBLÉMA

Az egyszeres rálapolásról

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

Átírás:

1 Egy újabb mozgásos felület - származtatási feladat Egy érdekes animációra bukkantunk az interneten 1. ábra 1. ábra forrása: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/cylinder_-_hyperboloid_- _cone.gif Ennek kicsit módosított változatát dolgozzuk most fel. A kiindulás: ~ veszünk két merev lemezt, és egy - egy r sugarú kört rajzolunk rájuk; ~ a körök mentén egyenlő távolságokban n darab h 0 hosszúságú fonál végeit a lemezekhez rögzítjük; ~ a lemezeket eltávolítjuk egymástól, éppen h 0 távolságra; ( Ekkor állt elő az 1. ábra helyzete. ) ~ a felső lemezt a kiindulási helyzetéhez képest felülről nézve az óra járásával ellentéte - sen elforgatjuk φ szöggel; ~ az alsó lemezt a kiindulási helyzetéhez képest felülről nézve az óra járásával mege - gyezően elforgatjuk φ szöggel. Ezzel előállt a vizsgálandó objektum. A feladat: Vizsgáljuk meg a leírt objektumot, geometriai és mechanikai szempontból egyaránt! A geometriai vizsgálathoz tekintsük a 2. ábrát! Itt a térbeli helyzet vázlatát láthatjuk. Már az elején rámutatunk, hogy a geometriai és a mechanikai helyzet összefügg, tehát a geometriai vizsgálat a mechanikai esettől függ. A 2. ábrán a két szélső esetet tüntettük fel:

2 2. ábra 1. eset: a fonalak húzásra tökéletesen egyformán és rugalmasan viselkednek, azaz ugyanolyan mértékben, de tetszőlegesen megnyúlhatnak; a két lezáró véglap távolsága elforgatásuk után is ugyanaz marad. 2. eset: a fonalak húzásra tökéletesen merevek, azaz nyújthatatlanok, vagyis hosszuk az eredeti hosszukkal mindvégig megegyezik; a két véglap az elforgatásuk közben elmozdul egymás felé, miközben párhuzamosak maradnak. E két határeset között számtalan átmeneti eset lehetséges, a tényleges fizikai viszonyoktól függően. I. eset Ekkor a nézeti képek a 3. ábra szerintiek. Látjuk, hogy a kiszemelt fonál a ( zöld ) kezdeti helyzetéből a tárcsák ± φ szögelfordulása után átment a ( piros ) új helyzetébe, amely egy a forgástengelytől a távolságra lévő függőleges síkban van, ahol a fonál a vízszintessel már nem derékszöget, hanem α hegyesszöget zár be. Minden egyes fonál így viselkedik, így együtt egyköpenyű forgáshiperboloidot ( EFH - t ) alkotnak.

3 Ugyanis az EFH éppen így ( is ) származtatható: az A 1 B 1 egyenest megforgatjuk a hozzá képest kitérő helyzetű z tengely körül. 3. ábra Az előálló forgásfelület egyenletét levezettük egy korábbi dolgozatunkban, melynek címe: Észrevételek a forgásfelületek síkmetszeteivel kapcsolatban. A felület implicit egyenlete az itteni jelölésekkel: ( 1 ) Most kiszámítjuk az ( 1 ) - ben szereplő paramétereket. A 3. ábra felülnézeti képéről: ( 2 ) Majd ismét a 3. ábrával:

4 ( 3 ) Látjuk, hogy ( 1 ) - ben a paraméterek számtalan sokféle értéket vehetnek fel. A határesetek: a) b) ( H1 ) ( H2 ) A geometriai vizsgálat után jöjjön a statikai vizsgálat! A fonalak a tárcsák elforgatása során megnyúlnak; ennek abszolút nagysága: ( 4 ) Egy fonál megnyúlt hosszára a 3. ábra elölnézeti képéről, Pitagorász tételével:. ( 5 ) Most ( 4 ) és ( 5 ) - tel: tehát egy fonál abszolút megnyúlása: ( 6 ) Egy fonál fajlagos nyúlása és minden fonálé is : ( 7 ) majd ( 6 ) és ( 7 ) - tel: ( 8 ) Egy fonálban a húzófeszültség nagysága, feltételezve a Hooke - törvény érvényességét : ( 9 )

5 ahol E f a fonál húzó rugalmassági modulusza, ami itt állandó értékű, hiszen a fonalak viselkedéséről feltettük, hogy az tökéletesen rugalmas. Majd ( 8 ) és ( 9 ) - cel: ( 10 ) Egy fonálban ébredő húzóerő nagysága: ( 11 ) Most ( 10 ) és ( 11 ) - gyel: ( 12 ) A tárcsák elfordítását a bevezetett erőpárok M forgatónyomatéka idézi elő, a véglapokat egy H nagyságú erő tartja a helyén, a lemezek egymástól mért t I távolságára vonatkozó t I = h 0 = konst. feltétel értelmében 4. ábra: 4. ábra A véglap egyensúlyi feltételi egyenletei: ( 13 ) ( 14 ) Most ismét a 3. ábráról, ( 3 ) - mal is: tehát: ( 15 )

6 majd ( 12 ), ( 13 ) és ( 15 ) - tel: tehát: ( 16 ) Ábrázoljuk a ( 12 ) és a ( 16 ) függvényeket! Ehhez adatok: Az eredmény az 5. ábrán látható. ( A ) 5. ábra Itt a fonálerő függvényét bordó, a lapokat húzó erő függvényét zöld színnel ábrázoltuk.

7 Meglehet, csak a görbék jellegét érdemes figyelni, a számokat nem, hiszen igen nagy alakváltozások is előállhatnak, melyeket az adott anyag esetleg már nem viselhet el, szakadás nélkül. Folytatva az ismert trigonometriai azonossággal és ( 3 ) - mal: ( 17 ) ezután ( 2 ), ( 12 ), ( 14 ) és ( 17 ) - tel: ( 18 / 1 ) A ( 18 / 1 ) és ( A ) szerinti függvény grafikonját a 6. ábrán szemlélhetjük. 6. ábra Látjuk, hogy a forgatónyomatékok is meglehetősen nagyok, így itt is inkább a görbe jelle - ge, mint számszerű értékei az érdekesek. A maximum után a fogyó jelleg azzal van össze - függésben, hogy az elfordítási szög növelésével bár nőnek az N fonálerők az erők a karja zérushoz tart.

8 Megjegyzések: M1. A 2. és a 4. ábrán nem rajzoltunk meg több fonalat; mindegyik fonálnál ugyanaz a helyzet, mint az egyetlen ábrázolt esetében, függetlenül a fonál tényleges helyzetétől. Ehhez ld. a 7. ábrát is! 7. ábra M2. Egy valóságos megépített szerkezetben ~ az alkalmazott anyagok véges nyúlása, illetve szilárdsága egy adott φ max - nál véget vethet a folyamatnak, így itt a grafikonok is véget érnének; ~ a fellépő súrlódások is módosíthatják a szerkezet erőjátékát, viselkedését. M3. Ha a forgatás szögére φ = π / 2, akkor a fonalak O - ban a kettős kúp csúcsában összeérnek, ezért itt véget vetünk a folyamatnak. M4. A 6. ábra azt a meglepő tényt juttatja kifejezésre, hogy φ = π / 2 - nél külső forgató - nyomaték nélkül, vagyis önmagában is egyensúlyban van a szerkezet. Ez azonban bi - zonytalan egyensúlyi helyzetnek tűnik, hiszen abból való kis kitérítése után már megint kell külső forgatónyomaték az egyensúly fenntartásához. Érdemes lenne tényleg megépí - teni ezt a szerkezetet. Persze, valahol, valamikor már ez is bizonyára megtörtént. De vajon mi lehet a neve? M5. A ( 18 ) képlet azonos átalakítással nyerhető kényelmesebb alakja lehet ez: ( 18 / 2 )

9 II. eset Ekkor a nézeti képek a 8. ábra szerintiek. 8. ábra Eszerint: ( 19 ) ( 20 ) ( 21 ) tehát:

10 ( 22 ) Az EFH egyenlete most is ( 1 ) szerinti, de ( 22 ) már más alakú kifejezés, mint ( 3 ). Ismét a 8. ábráról: ( 23 ) Most ( 21 ) és ( 23 ) szerint: ( 24 ) A statikai vizsgálat itt egyszerűbb. Annak érdekében, hogy a fonalak feszesek maradjanak, pl. egy G nagyságú súlyt kötünk az alsó lemezre 9. ábra. 9. ábra Emiatt a fonalakban ébredő kezdeti húzóerő nagysága: ( 25 ) A pl. felső lemez egyensúlyi egyenletei a 4. ábra szerint: ( 13 ) ( 14 )

11 Most érvényesítjük, hogy a teljes szerkezetre ható erők egyensúly szerint: ( 26 ) Majd ( 13 ) (25 ) és ( 26 ) - tal: innen: ( 27 ) Ezután ( 21 ) és ( 27 ) - tel: ( 28 ) Most ( 14 ) és ( 27 ) - tel: tehát: ( 29 ) Majd ( 19 ), ( 22 ) és ( 29 ) - cel: tehát: ( 30 ) Ezután figyelembe vesszük, hogy a lemezek egymáshoz képesti elfordulása: ( 31 ) majd ( 28 ), ( 30 ) és ( 31 ) szerint: ( 32 ) ( 33 )

12 A ( 32 ) és ( 33 ) képletekből kiolvasható, hogy ebben az esetben a fonalakban ébredő húzóerő függ a fonalak számától, a forgatónyomaték azonban nem. Egy specializáció: a bifiláris felfüggesztés esete. Ekkor n = 2, így ( 32 ) és ( 33 ) - ból: ( 32 / 1 ) ( 33 / 1 ) Ezek megegyeznek az [ 1 ] - ben is megtalálható megoldással 10. ábra. Most ábrázoljuk a 10. ábra forrása: [ 1 ] függvényeket a ( B ) adatokkal! Az eredmény a 11. és a 12. ábrán látható.

13 11. ábra 12. ábra Megjegyzések: M1. A bifiláris felfüggesztésű rúd részletesebb vizsgálata megtalálható egy régebbi dolgozatunkban is, melynek címe: Forgatónyomaték mérése - I.

14 M2. A két vizsgált esetben a kis fi szög jelölésére két különböző betűt használtunk. Valóban, egy adott α hajlás eléréséhez nem ugyanaz a kis fi szög tartozik; ez kiolvasha - tó a ( 3 ) és ( 22 ) képletekből is, de a 2. ábra alsó részén is látszik. M3. A II. esetben az ε 0 állítást is tehetjük, főleg az I. esethez képest. M4. Első pillantásra meglepő lehet, hogy felületképző modellünk / játékunk egy másik klasszikus problémához vezetett. Ennek főként a közös geometria lehet az oka. M5. Láttuk, hogy amíg az I. esetben az alakváltozások vizsgálatára is szükség volt a meg - oldáshoz, addig a II. esetben nem. Úgy mondjuk, hogy az I. eset statikailag határozatlan, a II. eset pedig statikailag határozott probléma. M6. A 13. ábra szerint a projekt már meg is valósult, a II. esetben. 13. ábra forrása: http://www.geometrie.tuwien.ac.at/modelle/models_show.php?mode=2&n=72&id=0 Ez azonban ne szegje senki kedvét! Jöjjenek az újabb megoldások!

15 Ilyet mutat a 14. ábra is! Erről nem állíthatjuk bizonyosan, hogy az I. eset megvalósítása lenne. Valószínű, hogy egy módosulat. Meglehet, párszor elszakadtak már a fonalak. 14. ábra forrása: http://www.geometrie.tuwien.ac.at/modelle/models_show.php?mode=2&n=71&id=0 M7. A fenti játékot nevezhetjük az egyköpenyű hiperboloid fonál - modelljének is. Az interneten pl. String models of hyperboloids vagy Fadenhyperboloid címen is találkoz - hatunk ilyenekkel. M8. Az építészetben igencsak népszerűek az egyenes alkotókkal bíró felületek 15. ábra. Viszonylag könnyű megvalósítani ezeket, valamint igen látványosak lehetnek. Az EFH - felületek alkotó egyenesei mentén elhelyezett rudak legtöbbször már nem csak húzásra, hanem nyomásra is igénybe lehetnek véve. Sokszor elegendő lehet a kívánt esztétikai hatás eléréséhez csak az alkotókat megjeleníteni. Ez a helyzet a fonál - modell, vagy a 16. ábra haranglábja esetén is. A harangláb ferde oszlopaiban főként nyomóerők ébred - nek. Ezek nagyságának kiszámítására is alkalmasak lehetnek a ( 27 ), ( 28 ) képleteink.

16 15. ábra forrása: https://www.math.lsu.edu/~lither/bridge1.jpg 16. ábra forrása: http://acenter.hu/szodligeti-temeto-szodliget-10093/

17 M9. A 17. ábra feltehetőleg a ( 19 ) képlet képi megjelenítése, cserével. 17. ábra forrása: https://s-media-cacheak0.pinimg.com/236x/ee/33/2d/ee332de8be408536bf8f8444ba0cac73--project--stringart.jpg Irodalom: [ 1 ] I. V. Mescserszkij: Szbornyik zadacs po tyeoretyicseszkoj mehanyike 34. kiadás, Nauka, Moszkva, 1975., 89 ~ 90. o. Sződliget, 2017. augusztus 07. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár