3. 1 dimenziós mozgások, fázistér

Hasonló dokumentumok
Néhány mozgás kvantummechanikai tárgyalása

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

3. előadás Stabilitás

1. Egyensúlyi pont, stabilitás

Abszolútértékes egyenlôtlenségek

2) Írja fel az alábbi lineáris függvény grafikonjának egyenletét! (3pont)

Descartes-féle, derékszögű koordináta-rendszer

ÜTKÖZÉSEK ELEMZÉSE ENERGIA-IMPULZUS DIAGRAMOKKAL

FÜGGVÉNYEK. A derékszögű koordináta-rendszer

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Egyenletek, egyenlőtlenségek V.

Függvények vizsgálata

1. Ábrázolja az f(x)= x-4 függvényt a [ 2;10 ] intervallumon! (2 pont) 2. Írja fel az alábbi lineáris függvény grafikonjának egyenletét!

Egyenletek, egyenlőtlenségek grafikus megoldása TK. II. kötet 25. old. 3. feladat

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Területszámítás Ívhossz számítás Térfogat számítás Felszínszámítás. Integrálszámítás 4. Filip Ferdinánd

E-tananyag Matematika 9. évfolyam Függvények

Függvények 1. oldal Készítette: Ernyei Kitti. Függvények

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

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

A brachistochron probléma megoldása

Függvények Megoldások

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

a) Az első esetben emelési és súrlódási munkát kell végeznünk: d A

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. 1. Az alábbi hozzárendelések közül melyik függvény? Válaszod indokold!

Numerikus integrálás

Koordináta-geometria. Fogalom. Jelölés. Tulajdonságok, definíciók

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

Rugalmas megtámasztású merev test támaszreakcióinak meghatározása I. rész

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

20. tétel A kör és a parabola a koordinátasíkon, egyenessel való kölcsönös helyzetük. Másodfokú egyenlőtlenségek.

Nagy András. Feladatok a logaritmus témaköréhez 11. osztály 2010.

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Exponenciális, logaritmikus függvények

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

8. előadás. Kúpszeletek

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

Második zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. Matematika I

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

A rezgések dinamikai vizsgálata, a rezgések kialakulásának feltételei

6. A Lagrange-formalizmus

A lengőfűrészelésről

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

Fizika 1 Mechanika órai feladatok megoldása 7. hét

6. Differenciálegyenletek

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

A szállítócsigák néhány elméleti kérdése

Kettős integrál Hármas integrál. Többes integrálok. Sáfár Orsolya május 13.

Rezgések. x(t) x(t) TÓTH A.: Rezgések/1 (kibővített óravázlat) 1

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

Abszolútértékes és gyökös kifejezések Megoldások

5. Pontrendszerek mechanikája. A kontinuumok Euler-féle leírása. Tömegmérleg. Bernoulli-egyenlet. Hidrosztatika. Felhajtóerő és Arhimédesz törvénye.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Elemi függvények. Nevezetes függvények. 1. A hatványfüggvény

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Ujfalussy Balázs Idegsejtek biofizikája

a) A logaritmus értelmezése alapján: x 8 0 ( x 2 2 vagy x 2 2) (1 pont) Egy szorzat értéke pontosan akkor 0, ha valamelyik szorzótényező 0.

10. Koordinátageometria

A megnyúlás utáni végső hosszúság: - az anyagi minőségtől ( - lineáris hőtágulási együttható) l = l0 (1 + T)

1. Az adott kifejezést egyszerűsítse és rajzolja le a lehető legkevesebb elemmel, a legegyszerűbben.

- III. 1- Az energiakarakterisztikájú gépek őse a kalapács, melynek elve a 3.1 ábrán látható. A kalapácsot egy m tömegű, v

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Abszolútértékes és Gyökös kifejezések

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. alapfüggvény (ábrán: fekete)

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Feladatok a logaritmus témaköréhez 11. osztály, középszint

4. fejezet. Egyváltozós valós függvények deriválása Differenciálás a definícióval

Egészrészes feladatok

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

Matematika 10 Másodfokú egyenletek. matematika és fizika szakos középiskolai tanár. > o < szeptember 27.

1. Az előző előadás anyaga

Csoportmódszer Függvények I. (rövidített változat) Kiss Károly

Nagy Krisztián Analízis 2

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Függvény differenciálás összefoglalás

A szinuszosan váltakozó feszültség és áram

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

5 = nr. nrt V. p = p p T T. R p TISZTA FÁZISOK TERMODINAMIKAI FÜGGVÉNYEI IDEÁLIS GÁZOK. Állapotegyenletbl levezethet mennyiségek. Az állapotegyenlet:

Ady Endre Líceum Nagyvárad XII.C. Matematika Informatika szak ÉRINTVE A GÖRBÉT. Készítette: Szigeti Zsolt. Felkészítő tanár: Báthori Éva.

ANALÍZIS II. Példatár

b) Ábrázolja ugyanabban a koordinátarendszerben a g függvényt! (2 pont) c) Oldja meg az ( x ) 2

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

2014. szeptember 24. és 26. Dr. Vincze Szilvia

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

Teljes függvényvizsgálat

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Egyenletek, egyenlőtlenségek X.

Átírás:

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 3. dienziós ozgások, fázistér 3.. Az dienziós ozgások leírása, a fázistér fogala dienziós ozgás alatt egy töegpont olyan ozgását értjük ebben a jegyzetben, ai egy egyenes entén történik. Így a töegpont pozíciója egyetlen koordinátával jelleezhető, ezt a koordinátát tipikusan -szel jelöljük. A töegpont ozgásegyenlete így a következő alakú: ẍ = F(,ẋ,t), () ahol az F erő egy előjeles skalárennyiség, és az koordinátától, az ẋ sebességtől, valaint a t időtől függhet epliciten. Ha az erő csak a helytől függ: F = F(), továbbá az F() függvény integrálható, akkor indig definiálhatunk egy V() potenciálfüggvényt a következő ódon : V() = 0 F( )d, (2) ahol 0 egy tetszőlegesen választott pont koordinátája. A ozgásegyenletet a potenciál segítségével felírva ẍ = dv() (3) d adódik. Ez átalakítható az alábbiak szerint: ẋẍ = dv() ẋ, (4) d d ( ) 2ẋ2 = dv(), (5) dt dt ( ) d dt 2 ẋ2 +V() = 0. (6) Az elsőből a ásodik sor úgy következik, hogy -et az idő függvényének tekintjük, egy (t) függvénynek, ai a ozgásegyenlet egoldása. Ennek egfelelően az (5) alakban az időderiválás a ténylegesen egvalósuló ozgás során jelentkező időbeli egváltozást írja le. A (6) alak így azt jelenti, hogy a zárójelben lévő ennyiség a egvalósuló ozgás során időben állandó: E := 2 ẋ2 +V() T +V = állandó. (7) Az E ennyiséget echanikai energiának nevezzük. A echanikai energia a T kinetikus és a V potenciális energia összege. A (7) képlet a továbbiak szepontjából eghatározó jelentőségű lesz. Valaely ozgás során a kinetikus és a potenciális energia részesedése a teljes echanikai energiából folyaatosan változik. V -t szükségszerűen eghatározza a töegpont pozíciója, A potenciál általános definíciójában szereplő vonalintegrál dienzióban hagyoányos (Rieann-féle) integrállá egyszerűsödik, ai két pont között indig egyértelű.

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 2 így a T kinetikus energia is felírható a hely függvényében, ha az E echanikai energia adott: T = E V(). A kinetikus energiából a töegpont sebessége is adódik: 2 ẋ2 = E V(), (8) 2 ( ) ẋ = ± E V(). (9) Vagyis fel tudtuk írni az ẋ() függvényt, az előjeltől eltekintve egyértelűen. Az előjel, vagyis a ozgás iránya a kinetikus energiából terészetesen ne következhet. AdottE energia ellett ezt a függvényt ábrázolhatjuk is (. ábra, kék, ill. piros görbe az alsó grafikonon). Az ẋ() függvény pozitív és negatív ágára együttesen úgy is tekinthetünk, int V() E 2 E fp (E 2 ) fp (E ) fp2 (E ) fp3 (E ) ẋ. ábra. Egy V() potenciálfüggvény (felső grafikon, fekete vonal), és a példaként tekintett E, ill. E 2 energiaszint ellett lejátszódó ozgás trajektóriája (a kék, ill. a piros görbe) az (,ẋ) síkban (alsó grafikon). A ozgás lejátszódásának az irányát nyíl jelöli. A ozgás fp fordulópontjainak a tulajdonságait a szöveg részletezi. egy görbe az (, ẋ) síkban, ait a (7) egyenlet, vagy annak átrendezett (9) alakja határoz eg, ha E adott. Az (,ẋ) síkot fázistérnek nevezzük. Jelentőségét az adja, hogy ha ebben a síkban kijelölünk egy pontot, és egvizsgáljuk, hogy a pontnak egfelelő és ẋ kezdeti feltételekkel ilyen ozgás ehet végbe, akkor ez a ozgás egyértelű lesz (hiszen a ozgást éppen két kezdeti feltétel határozza eg). Hogyan látjuk a ozgás lejátszódását a fázistérben? Vegyük észre, hogy egy pont kijelölésével eghatározzuk a potenciális és a kinetikus energiát (, ill. ẋ értékén keresztül), és így a teljes E echanikai energiát is. Mivel a echanikai energia a ozgás során állandó, a ozgás a (7) [vagy (9)] egyenlet által eghatározott görbén fog végighaladni a

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 3 fázistérben. Ezt a görbét a ozgás trajektóriájának nevezzük. A pozitív ẋ (azaz felső) félsíkon a ozgás jobbra, a negatív ẋ (alsó) félsíkon balra történik (a sebesség definíciója szerint). A (9) képlet szerint a trajtória indig szietrikus az tengelyre. Hol etszi a trajektória az tengelyt? Milyen koordinátánál? Jelöljük ezt fp -vel. A etszéspont definíció szerint ott van, ahol ẋ = 0. Ekkor T = 0, vagyis (7) szerint E = V( fp ). (0) Ez egy egyenlet fp -re, ainek lehet egy vagy több egoldása, akár E-től függően. Fontos, hogy a egoldás értéke indig függ E-től. Az ilyen pontok jelentősége, aint az. ábrán is látható, abban rejlik, hogy ezek határolják a ozgás száára egengedett tartoányt. A ozgás ugyanis csak ott ehet végbe, ahol E V(), () hiszen E V = T = 2 ẋ2 0 kell legyen. A () feltételnek eleget tévő tartoányokat tipikusan (0)-nak egfelelő pontok határolják. A trajektórián lejátszódó ozgás szepontjából ezek fordulópontok: ivel az alsó félsík balra, a fölső félsík pedig jobbra történő ozgást ír le, az egyik félsíkról a ásikra való áthaladás szükségszerűen a ozgás irányának a egváltozásával jár együtt (lásd az. ábrát). 2 Az. ábrán egfigyelhetjük, hogy a ozgás lehet korlátos és ne korlátos. Az előbbi esetben a ozgást balról és jobbról is fordulópont határolja, és a ozgás iután körbeért a trajektórán önagát isétli, azaz periodikus. Észrevehetjük, hogy a fázistérbeli trajektória (7) vagy (9) egyenlete ne hordoz közvetlen inforációt a ozgás időbeli lefolyására vonatkozóan. Azonban ezek az egyenletek valójában egy elsőrendű közönséges differenciálegyenletet képviselnek, ai az (t) függvényre vonatkozik. Kiderül, hogy az inverz t() függvényt könnyebb kifejezni: ẋ d/dt felhasználásával és a (9) alak reciprokát véve: dt d = ± ( ), (2) 2 E V() t t 0 = ± 2 0 E V( ) d. (3) Az előjel a ozgás irányától (ẋ előjelétől) függ. Ez a képlet valójában annak a kiszáítására alkalas, hogy ennyi időbe telik eljutni valailyen 0 koordinátától valailyen ettől eltérő koordinátába. Ha 0 -t egfeleltejük egy periodikus ozgás bal oldali fordulópontjának ( bal ), -et pedig ugyanezen ozgás jobb oldali fordulópontjának ( jobb ), akkor éppen a periodikus ozgás T p periódusidejének kapjuk eg a felét. Azaz: T p = 2 jobb bal E V( ) d. (4) 2 Ha az E = V() egyenlőség ne izolált pontokban (fordulópontokban), hane egy folytonos intervalluon teljesül (ez az egyszerűség kedvéért legyen nyitott intervallu), akkor ezen intervallu tetszőleges pontjában tartózkodhat a töegpont, de a sebessége 0, és tetszőlegesen hosszú ideig 0 is arad, ivel ilyenkor a potenciál hely szerinti deriváltja is 0. Vagyis ilyenkor a töegpont ne ozog.

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 4 3.2. A trajektória grafikus felrajzolásáról A fázistérbeli trajektóriát, azaz az ẋ() többértékű függvényt, vagyis az (, ẋ) síkban a (7) egyenlet által eghatározott görbét grafikus alapokon is felrajzolhatjuk, ha iserjük a V() potenciálfüggvény grafikonját, és ugyanezen az ábrán az E energia szintjét. Ebben elsősorban a (7) képlet fog segíteni, ha átrendezzük: T = E V. (5) Tekintsünk valailyen adott, tetszőlegesen választott olyan 0 helyet, ahol () szerint tartózkodhat a töegpont. Nézzük eg, hogy ha innen elindulunk ondjuk jobbra, akkor csökken vagy nő a különbség az E szintje és a V() függvény között, ezt le tudjuk olvasni a grafikonról. Ha csökken, akkor a (5) képlet értelében errefelé a T-nek szintén csökkennie kell, és a 2T ẋ = ± (6) összefüggés (a kinetikus energia definíciója) szerint ebben az irányban az ẋ abszolútértéke is csökken. Eszerint a fázistér felső felébe egy jobbra csökkenő függvényt kell rajzolnunk, az alsó felébe pedig ennek az tengelyre tükrözött párját. A felső és az alsó ág eszerint közeledni fog egyáshoz. Ha az E és a V() közötti különbség ne csökken, hane nő, akkor érteleszerűen T és ezért ẋ is nő, és a rajzon ennek egfelően a trajektória felső és alsó ága távolodni fog egyástól. Ha visszatérünk a választott 0 helyhez, és ne jobbra, hane balra indulunk el, akkor hasonló egfontolások alapján rajzolhatjuk fel a fázistérbeli trajektóriának az 0 -tól balra eső részét. Ha ne írunk beosztást az ẋ tengelyre, akkor indegy, hogy a trajektóriának az 0 -beli értékét ilyen ẋ értékhez rajzoljuk. Mi történik akkor, ha a V() függvény aiuához vagy iniuához érkezünk? Itt T = E V-nek iniua, ill. aiua van, így (6) szerint a fázistérbeli ẋ() függvény is ugyanígy viselkedik. És i történik, ha az E és a V közötti különbség elfogy? Ekkor az ẋ érteleszerűen nullává válik, itt van a ozgásnak fordulópontja. Olyan helyen, ahol a különbség nenulla, seiképpen se találhatunk fordulópontot. Azokon a tartoányokon pedig, ahol E < V, vagyis T negatív lenne, egyáltalán ne tartózkodhat a töegpont, ide ne jut el a fázistérbeli trajektória. Ha figyelünk arra is, hogy ẋ() különböző etréuainak az értéke egyáshoz viszonyítva kisebb vagy nagyobb (ai következik abból, hogy az E és a V közötti különbség kisebb vagy nagyobb), akkor indezen inforációk alapján fel tudjuk rajzolni a fázistérbeli trajektóriát kvalitatíve helyesen (vagyis úgy, hogy a fordulópontjai és a szélsőértékei kvalitatíve jó helyen vannak, és inden részének a onotonitása helyes). A következő hasonlat érthetőbbé teszi a jelen szakaszt, és az egész fejezetet általában véve is: A töegpontnak van valaennyi pénze (E), és ahhoz, hogy valailyen helyen tartózkodjon, V() pénzt letétbe kell helyeznie. A aradék pénzt (T-t) arra fordítja, hogy ẋ sebességgel ozogjon. Miközben elozdul, visszakapja az eredeti helyért adott V() letétet, és elhelyezi az új helyhez rendelt V() letétet. Ha a teljes E pénzét letétbe helyezte, akkor ne ozog. Ott pedig ne is tartózkodhat, ahol a tartózkodáshoz szükséges letétet ne tudja előtereteni (azaz V() > E).

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 5 Példa Tekintsük a következő potenciált: V() = 2 k2, ahol k > 0, és legyen E > 0. Adjuk eg a ozgás fordulópontjait! Írjuk fel a fázistérbeli trajektória koordináta-geoetriai egyenletét, és nevezzük eg, ilyen alakzatról van szó! Adjuk eg az = 0 pontban ért ẋ( = 0) sebességet! Mindennek alapján rajzoljuk fel a fázistérbeli trajektóriát! A potenciálfüggvény a következőképpen néz ki (fekete vonal): V() E A echanikai energiának a feladat feltétele szerint felvett, pirossal bejelölt szintjéből leolvasható, hogy a ozgásnak 2 fordulópontja van. A (0) egyenlet szerint: E = 2 k2 fp, fp,2 = k. A fázistérbeli trajektória egyenlete a (7) kifejezésnek egfelelően: 2 ẋ2 + 2 k2 = E. Ez egy ellipszis egyenlete []. A (7) kifejezés használata a (9)-tel szeben gyakran azért előnyös, ert a görbe típusát könnyebb belőle leolvasni. A (9) alakból viszont egyszerű behelyettesítéssel adódik az = 0 pontban ért sebesség: 2 ( ) 2 ẋ( = 0) = ± E V( = 0) = ± (E 2 ) k 02 = ±. Fontos, hogy a sebesség indkét előjelet felveheti. A fázistérbeli trajektória indezek alapján így néz ki (alsó grafikon):

Drótos G.: Fejezetek az eléleti echanikából 3. rész 6 V() E k k ẋ Hivatkozások [] Koordináta-geoetriai segítség: Ellipszis: http://athworld.wolfra.co/ellipse.htl, (2) egyenlet Hiperbola: http://athworld.wolfra.co/hyperbola.htl, (8) egyenlet Fekvő parabola: http://athworld.wolfra.co/parabola.htl, (5) egyenlet http://theorphys.elte.hu/~drotos/