Merev test mozgása. A merev test kinematikájának alapjai



Hasonló dokumentumok
Az elektromos kölcsönhatás

Körmozgás és forgómozgás (Vázlat)

A műszaki rezgéstan alapjai

Pontszerű test, pontrendszer és merev test egyensúlya és mozgása (Vázlat)

III. Áramkör számítási módszerek, egyenáramú körök

Bevezetés a kémiai termodinamikába

A mágneses tér energiája, állandó mágnesek, erőhatások, veszteségek

1.Tartalomjegyzék 1. 1.Tartalomjegyzék

2. személyes konzultáció. Széchenyi István Egyetem

S T A T I K A. Az összeállításban közremûködtek: Dr. Elter Pálné Dr. Kocsis Lászlo Dr. Ágoston György Molnár Zsolt

Optika feladatok (szemelvények a 333 Furfangos Feladat Fizikából könyvből)

Feladatok GEFIT021B. 3 km

METROLÓGIA ÉS HIBASZÁMíTÁS

Darupályák ellenőrző mérése

Mikrohullámok vizsgálata. x o

Széchenyi István Egyetem. Alkalmazott Mechanika Tanszék

+ - kondenzátor. Elektromos áram

Szilárdságtan. Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

Mágneses jelenségek. 1. A mágneses tér fogalma, jellemzői

Méréssel kapcsolt 3. számpélda

MEGOLDÓKULCS AZ EMELT SZINTŰ FIZIKA HELYSZÍNI PRÓBAÉRETTSÉGI FELADATSORHOZ 11. ÉVFOLYAM

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

Jelenségközpontú, kísérletekkel támogatott feladatmegoldás, mint a szemléletformálás hatékony módszere

2. ábra Soros RL- és soros RC-kör fázorábrája

Optikai elmozdulás érzékelő illesztése STMF4 mikrovezérlőhöz és robot helyzetérzékelése. Szakdolgozat

A 2008/2009. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai és megoldásai fizikából. I.

Tevékenység: Olvassa el a fejezetet! Gyűjtse ki és jegyezze meg a ragasztás előnyeit és a hátrányait! VIDEO (A ragasztás ereje)

IMPRESSA C5 Használati útmutató

NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM Faipari Mérnöki Kar. Mőszaki Mechanika és Tartószerkezetek Intézet. Dr. Hajdu Endre egyetemi docens MECHANIKA I.

Tanulói munkafüzet. FIZIKA 11. évfolyam emelt szintű tananyag egyetemi docens

Konfidencia-intervallumok

Alkalmazott fizika Babák, György

Gyakorló feladatok Tömegpont kinematikája

MECHANIKA 1. félév 2006

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

A 2011/2012. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. I.

Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a kötőcsavarok szilárdsági tulajdonságainak jelölési módját!

Fizika 1i (keresztfélév) vizsgakérdések kidolgozása

Geodézia 4. Vízszintes helymeghatározás Gyenes, Róbert

Biostatisztika e-book Dr. Dinya Elek

2-17. ábra ábra. Analízis 1. r x = = R = (3)

1. Ha két közeg határfelületén nem folyik vezetési áram, a mágneses térerősség vektorának a(z). komponense folytonos.

Szakács Jenő Megyei Fizikaverseny

9. Áramlástechnikai gépek üzemtana

BEVEZETÉS AZ ÁBRÁZOLÓ GEOMETRIÁBA

FIZIKA MECHANIKA MŰSZAKI MECHANIKA STATIKA DINAMIKA BEVEZETÉS A STATIKA HELYE A TUDOMÁNYBAN

REZGÉSDIAGNOSZTIKA ALAPJAI

1687: Newton, Principiamathematica

Környezetvédelmi analitika

A bankközi jutalék (MIF) elő- és utóélete a bankkártyapiacon. A bankközi jutalék létező és nem létező versenyhatásai a Visa és a Mastercard ügyek

Nyugat-magyarországi Egyetem Geoinformatikai Kara. Gyenes Róbert. Geodézia 4. GED4 modul. Vízszintes helymeghatározás

2) = 0 ahol x 1 és x 2 az ax 2 + bx + c = 0 ( a,b, c R és a 0 )

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Békefi Zoltán. Közlekedési létesítmények élettartamra vonatkozó hatékonyság vizsgálati módszereinek fejlesztése. PhD Disszertáció

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

3. MÉRETEZÉS, ELLENŐRZÉS STATIKUS TERHELÉS ESETÉN

Szerelési útmutató FKC-1 síkkollektor tetőre történő felszerelése Junkers szolár rendszerek számára

EÖTVÖS LABOR EÖTVÖS JÓZSEF GIMNÁZIUM TATA FELADATLAPOK FIZIKA. 11. évfolyam. Gálik András. A Tatai Eötvös József Gimnázium Öveges Programja

Csavarkötés mérése ), (5) μ m a menetes kapcsolat súrlódási tényezője, β a menet élszöge. 1. Elméleti alapok

1. KÜLÖNLEGES MECHANIKUS HAJTÓMŰVEK, HULLÁMHAJTÓMŰVEK, CIKLOHAJTÓMŰVEK... 8

mágnes mágnesesség irányt Föld északi déli pólus mágneses megosztás influencia mágneses töltés

Slovenská komisia Fyzikálnej olympiády 51. ročník Fyzikálnej olympiády. Szlovákiai Fizikai Olimpiász Bizottság Fizikai Olimpiász 51.

/11 Változtatások joga fenntartva. Kezelési útmutató. UltraGas kondenzációs gázkazán. Az energia megőrzése környezetünk védelme

Villamosságtan. Dr. Radács László főiskolai docens A3 épület, II. emelet, 7. ajtó Telefon:

DEME FERENC okl. építőmérnök, mérnöktanár RÁCSOS TARTÓK

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Három dimenziós barlangtérkép elkészítésének matematikai problémái

Felszín- és térfogatszámítás (emelt szint)

Elosztott rendszerek játékelméleti elemzése: tervezés és öszönzés. Toka László

Elektromágneses hullámok

A.11. Nyomott rudak. A Bevezetés

Akuszto-optikai fénydiffrakció

EÖTVÖS LABOR EÖTVÖS JÓZSEF GIMNÁZIUM TATA FELADATLAPOK FIZIKA. 9. évfolyam Tanári segédanyag. Szemes Péter

LINEÁRIS ALGEBRA PÉLDATÁR MÉRNÖK INFORMATIKUSOKNAK

4) Az ABCD négyzet oldalvektorai körül a=ab és b=bc. Adja meg az AC és BD vektorokat a és b vektorral kifejezve!

Áramlástan. BMEGEÁTAE01 Dr. Lajos Tamás Tanszék: AE épület. v1.00

Áramlástechnikai gépek Dr. Szlivka, Ferenc

Merev testek kinematikája

2. előadás: További gömbi fogalmak

MUNKAANYAG. Szabó László. Szilárdságtan. A követelménymodul megnevezése:

PRÓBAÉRETTSÉGI MATEMATIKA május-június SZÓBELI EMELT SZINT. Tanulói példány. Vizsgafejlesztő Központ

A.15. Oldalirányban nem megtámasztott gerendák

5. modul Térfogat és felszínszámítás 2

Széchenyi István Egyetem, 2005

DEME FERENC okl. építőmérnök, mérnöktanár TARTÓK

Síkban polarizált hullámok síkban polarizált lineárisan polarizált Síkban polarizált hullámok szuperpozíciója cirkulárisan polarizált

Termodinamikai állapot függvények és a mólhő kapcsolata

Állandó permeabilitás esetén a gerjesztési törvény más alakban is felírható:

Sebesség A mozgás gyorsaságát sebességgel jellemezzük. Annak a testnek nagyobb a sebessége, amelyik ugyanannyi idő alatt több utat tesz meg, vagy

Tanulói munkafüzet. FIZIKA 9. évfolyam egyetemi docens

Fizika előkészítő feladatok Dér-Radnai-Soós: Fizikai Feladatok I.-II. kötetek (Holnap Kiadó) 1. hét Mechanika: Kinematika Megoldandó feladatok: I.

A Sturm-módszer és alkalmazása

MEGOLDÁSOK ÉS PONTOZÁSI ÚTMUTATÓ

8. Programozási tételek felsoroló típusokra

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR DOKTORI ISKOLA VEZETŐ: MTA rendes tagja TÉMACSOPORT VEZETŐ: MTA rendes tagja TÉMAVEZETŐ: egyetemi docens

MATEMATIKA FELADATGYŰJTEMÉNY

MAGYAR RÉZPIACI KÖZPONT Budapest, Pf. 62 Telefon , Fax

Fizika II. (Termosztatika, termodinamika)

Testek mozgása. Készítette: Kós Réka

Fizikai alapismeretek

Átírás:

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) Merev test mogása Eddg olyan dealált "testek" mogását vsgáltuk, amelyek a tömegpont modelljén alapultak E aal a előnnyel járt, hogy nem kellett foglalkon a test kterjedésével kapcsolatos mogás lehetőségekkel, a forgással és a deformácóval Egy fokkal köelebb jutunk a valóságho, de még mndg vsonylag egyserűen leírható mogást kapunk, ha kterje testet vsgálunk, amelyet aonban a egyserűség kedvéért merevnek tekntünk, vagys elhanyagoljuk a test alakváltoásat kterje, de alakját nem váltotató test a merev test merev test knematkájának alapja merev test általános mogása merev test mogásának leírását a mogás leírásáho sükséges adatok, a ún sabadság fokok (f) sámának vsgálatával kedjük Egy tömegpont mogását egy helyvektorral, vagys 3 skalár adattal jellemehetjük, a tömegpont sabadság fokanak sáma tehát f=3 Egy merev test helyetét akkor smerjük, ha megadjuk három nem egy egyenesbe eső pontjának helyetét, vagys össesen 9 adatot, pl a három pont deréksögű koordnátát (Ha egy pontot adunk meg, akkor ekörül tetsőlegesen foroghat a test, ha még egy pontot megadunk, akkor a pontokon áthaladó tengely körül még mndg foroghat, egy harmadk, a tengelyen kívül eső pont megadása rögít a test helyetét) valóságban aonban ennél kevesebb adat s elegendő, hsen a test merevsége at jelent, hogy bármely két pontjának távolsága állandó Így a három pont köött három távolságot kfejeve pl a pontok koordnátával, a 9 koordnáta köött 3 össefüggést kapunk 9 adat köül tehát csak 6 független, eért a sabad merev test sabadság fokanak sáma f=6 Ha a merev test nem mooghat sabadon, hanem mogását valamlyen kényser korlátoa (pl egy kerék egy felületen gurul, vagy a test egy pont körül vagy rögített tengely körül forog), akkor a sabadság fokok sáma a kénysertől függő mértékben csökken (a felsorolt példákban rendre f=5, f=3 és f=) merev test lehetséges mogása köül a legegyserűbb a haladó mogás, vagy más néven translácó, amkor a test mnden pontja ugyanolyan pllanatny sebességgel moog, vagys a egyes pontok mogása egymással párhuamos pályákon ajlk E egyben at s jelent, hogy a testben felvett egyenes térbel helyete a mogás során nem váltok, önmagával párhuamosan modul el (pl a sakas a a ábrán) Így moog egy egyenes pályán haladó sán, vagy a "óráskerék" kabnja Mvel lyenkor a össes pont ugyanúgy moog, elég egyetlen pont mogását jellemen merev test mogása tulajdonképpen tömegpontserű apró rések mogásaként s felfogható, a b

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) eért haladó mogásának leírására hasnálhatók a tömegpontra vonatkoó össefüggések, így például a tömegköéppont tétel s merev test másk a tömegpontho képest új mogás módja a tengely körül forgás vagy más néven rotácó Eköben a test különböő pontja különböő sebességgel moognak, és a testben felvett egyenes térben elfordul (b ábra) merev test mogása köben általában mndkét mogás mód egydejűleg jelenk meg (baloldal ábra) E fgyelhető meg pl egy elgurított kerék, egy elhajított test vagy egy ' rotácó translácó ' ' kanyarodó jármű esetében semlélet s at sugallja, de be s bonyítható, hogy a merev test tetsőleges mogása elem translácók és rotácók egymásutánjaként fogható fel Et a eljárást egy síkdomnak a saját síkjában történő elmodulása (a helyetből a helyetbe) kapcsán a jobboldal ábra semléltet: a translácóval, és a at követő (' ) körül forgatással tetsőleges elmodulás létrehoható *********************************************** merev test mogásának translácóra és rotácóra történő felbontását könnyen bemutathatjuk, ha egy pontjának mogását egy külső K koordnátarendserből és a test tömegköéppontjáho rögített K TK rendserből s megvsgáljuk (ábra) helyvektorok köött ekkor fennáll a TK r = rtk + r össefüggés, amből a sebességekre at kapjuk, hogy K r dr TK = v = vtk + v TK Mvel a tömegköéppont és a -edk pont távolsága adott, a pont v pllanatny sebessége merőleges les a r TK helyvektorra, így e a sebesség a két vektorra merőleges ω sögsebesség-vektorral adható meg: TK v = vtk + ( ω r ) r TK r TK K TK E at jelent, hogy a merev test bármely pontjának mogása felbontható a tömegköéppont translácós mogására és a tömegköépponton átmenő tengely körül forgásra megfelelő forgástengely helyete aonban a pont tényleges sebességétől függ, vagys a mogás során váltok, eért e a felbontás csak elem elmodulásokra ga Mvel a fent gondolatmenet a test bármelyk pontjára érvényes, at s kmondhatjuk, hogy a egés merev test mogása a tömegköéppont elem translácónak és a tömegköépponton átmenő tengely körül elem forgásoknak a egymásutánjaként fogható fel *********************************************** merev test mnt pontrendser merev testet ks résekre felostva (ábra), köelítőleg pontokból állónak teknthetjük, és a pontrendserre vonatkoó össefüggéseket hasnálhatjuk pontos leírásho úgy jutunk el, hogy a felostást egyre fnomítjuk és megnéük, hogy eköben a pontrendserre felírt

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 3 mennységek mlyen határértékhe tartanak merev testre vonatkoó mennységekként lletve össefüggésekként a határértéket fogadjuk el (bebonyítható, hogy eek a határértékek létenek, de eel tt nem foglalkounk) felostás alapján a test teljes térfogatát és teljes tömegét a V Δ V m Δm = = ΔV össefüggések adják meg teljes tömeg a sűrűséggel s Δm kfejehető a m = ρδv össefüggés felhasnálásával Mvel a sűrűség a helytől s függhet, a -edk térfogatelem köelítő tömegét a térfogatelemben érvényes átlagos ρ sűrűséggel a Δ m = ρ ΔV össefüggés adja meg Eel a teljes tömeg köelítő értéke m ρ ΔV, a pontos érték pedg a felostás fnomításával kapható meg m = lm ρδv = ρ( r ) dv Δ V 0 Itt a egyenlet jobboldalán álló ún térfogat ntegrállal tt nem foglalkounk résletesebben Egyelőre elég, ha végtelenül fnom felostáson történő össegésnek tekntjük, amelyben dv a r helyvektorral megadott pont körül felvett elem térfogatot jelent pontrendsereknél beveetett tömegköéppont helyvektorát folytonos tömegeloslás esetére ugyaneel a módserrel általánosíthatjuk: r Δm r ρδv rtk = lm = lm = rρ( r ) dv ΔV 0 Δm ΔV 0 Δm m Eel a modellel elértük at, hogy a pontrendserre érvényes knematka és dnamka törvényeket váltoatlan formában lehet alkalman, csak végül mndg át kell térn a végtelenül fnom felostásnak megfelelő határértékre V Merev test dnamkája merev test mogásának leírására solgáló egyenletekhe a legegyserűbben úgy juthatunk el, ha gen ks pontserűnek teknthető résekre ostjuk, és specáls, egymásho képest rögített helyetű pontokból álló pontrendserként tárgyaljuk Mvel a pontrendserre vonatkoó törvényeket smerjük, eel a módserrel a merev testre vonatkoó össefüggésekhe s eljuthatunk Mvel a merev test mogása translácóra és rotácóra bontható, a mogás leírása s két résből áll translácó leírása a pontrendsereknél érvényes tömegköéppont tétellel lehetséges: a külső erők a tömegköéppontban egyesített teljes tömegre hatnak, és a tömegköéppont mogását a tömegpontra érvényes mogásegyenlet írja le továbbakban a translácóval résletesebben nem foglalkounk, hanem elsősorban a tömegpont mogásáho képest új forgást vsgáljuk forgómogás vsgálatát s több lépésben, a egyserűtől a bonyolult felé haladva végeük el

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 4 Rögített tengely körül forgó merev test mogása Elősör a legegyserűbb esettel foglalkounk, amkor a test egy rögített tengely körül foroghat E a eset egyserűsége mellett aért s fontos, mert módot ad a legfontosabb alapfogalmak beveetésére, és gyakorlat sempontból s fontos Rögtett tengely körül forgó merev test perdülete és mogásegyenlete, a tehetetlenség nyomaték pontrendserek vsgálatánál láttuk, hogy a rendser perdületének beveetésével egy mogásegyenletet tudunk felírn: d d = M, lletve merev testre = M K (tt csak külső forgatónyomaték van, így a megkülönbötető K nde felesleges) Írjuk fel eért elősör a merev test perdületét Vegyük fel a koordnátarendserünket úgy, hogy a -tengely a rögített forgástengelyre essen (ábra) testet ossuk fel térfogatelemekre, és a sámítást a így kapott "köelítő pontrendseren" végeük el egyes térfogatelemek körpályán moognak, a -edk tömegelem perdülete: = r Δmv Mvel a vektorsoratban sereplő vektorok merőlegesek egymásra, a perdület nagysága = r Δm v rögített tengely matt a perdületet csak a forgatónyomaték -komponense tudja váltotatn (a másk két komponenst a tengely kkompenálja), eért a mogásegyenletnek és a perdületnek csak a - komponensét érdemes felírn: = cos ϑ = r Δmv cosϑ Mvel a tengelytől mért távolság és a helyvektor hossa köött fennáll a R = cosϑ össefüggés, végül a r = cos ϑ = RΔmv = Δm R ω össefüggést kapjuk (tt felhasnáltuk, hogy a körmogásnál v = Rω ), amnek a a előnye, hogy benne a egyes tömegek sebessége helyett a köös sögsebesség serepel teljes test perdületének -komponense ennek alapján köelítőleg: = m R ω = Δ ω Δm R össeget pontserűnek teknthető térfogatelemek esetén a testnek a adott tengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomatékának nevek, és rendsernt θ -val jelölk: Δm R Θ tehetetlenség nyomaték adott össtömeg esetén alapvetően a test tömegének a rögített tengely körül eloslásától függ, vagys nagyságát a test tömege, alakja és a tengely helyete egyaránt befolyásolja tehetetlenség nyomaték fent kfejeése pontos eredményt csak tömegpontokból álló testnél ad merev test rendsernt nem teknthető lyennek, eért általában ϑ ω R r v ϑ r v r, v Δm

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 5 végtelen fnom felostáson történő össegéssel, vagys ntegrálással sámítható k (l később) tehetetlenség nyomaték smeretében a rögített tengely körül forgó merev test perdületének -komponense a egyserű = Θ ω alakba írható pontrendsereknél kapott mogásegyenlet ennek alapján: d d( Θ ω ) = = M K = M Ha a tehetetlenség nyomaték dőben állandó, akkor a mogásegyenlet a dω Θ = Θ β = M alakot ölt, ahol β a söggyorsulás egyenletből a forgatónyomatékok és a tehetetlenség nyomaték smeretében a söggyorsulás, abból ntegrálással a sögsebesség, újabb ntegrálással pedg a sögelfordulás dőfüggése meghatároható fent mogásegyenlet egy másk fontos követkeménye, hogy ha a külső forgatónyomatékok eredője nulla, akkor a perdület megmarad, és érvényes a Θ ω = állandó össefüggés Et a össefüggést sámos egyserű kísérlettel lehet semléltetn KÍSÉRLETEK: kísérleteket függőleges tengely körül forgatható sékre ültetett semély vég kísérleteő mndkét knyújtott keébe súlyókat adunk, majd forgásba houk Ha a kísérleteő a súlyókat behúa, akkor forgása felgyorsul (ksebb a "R" és így a θ, eért nagyobb les a ω), a súlyókat újra knyújtva, a forgás lelassul Ugyane a oka annak, hogy a knyújtott karokkal lassan forgó korcsolyáó gyors forgásba tudja hon magát (pruett) keenek behúásával kísérleteő keébe függőleges tengelyű bcklkereket adunk Ha a kereket a tengelye körül megforgatja, akkor a forgósék ellenkeő rányban forogn ked, ha a kereket megállítja, a forgósék megáll (perdület-megmaradás) Ha a kísérleteő keébe forgó kereket adunk, akkor nem történk semm, de ha a forgó kerék tengelyét 80 0 -kal elfordítja, akkor a sék a kerék forgásrányával ellentétesen forogn ked tehetetlenség nyomaték ksámítása, a Stener tétel tehetetlenség nyomatékot a fent defnícó alapján csak akkor lehet ksámítan, ha a merev test valóban pontserűnek teknthető résekből áll Köelítőleg e a eset áll fenn pl, ha egy súlyóserű testben a súlyó nyelének tömege elhanyagolható a súlyoké mellett, és a súlyok mérete elhanyagolható a távolságuk mellett Ebben a t' esetben a ábrán látható t tengelyre vonatkoó r tehetetlenség nyomaték: ' r ' Θ = m r + mr m m Látható, hogy egy másk (t') tengelyt válastva, a tehetetlenség nyomaték általában más les: r Θ = m r + mr, r vagys a tehetetlenség nyomaték nem egyserűen t

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 6 a test jellemője, hanem at a test és a tengelynek a testhe vsonyított helyete együttesen határoa meg Hasonlóan egyserű a tehetetlenség nyomaték sámítása, ha a test teljes tömege (m) egy nagy sugarú (R) körvonal vagy hengerfelület mentén helyekedk el, és a tömegelemek a sugárho képest elhanyagolható vastagságú rétegben (gyűrű vagy cső) találhatók Ilyenkor a össegésben sereplő tömegek köel aonos távolságra vannak a forgástengelytől, eért köelítőleg ga, hogy Θ Δmr = R Δm = mr testek aonban többnyre nem lyenek, eért e a módser általában nem hasnálható általános sámítás eljárás a végtelenül fnom felostásra, majd ntegrálásra való áttérésen alapul: Θ = lm r ρδv = r ρ( r ) dv Δ V 0 Ha a test homogén, akkor a sűrűség mndenütt ugyananny, és a egyserűbb Θ = ρ r dv alakot kapjuk onyolult alakú test vagy általános helyetű forgástengely esetén ennek a ntegrálnak a ksámítása nagyon bonyolult s lehet, ha aonban a test smmetrkus, és a forgástengely smmetratengely s, akkor egyserűbb a sámítás Egyserű példaként egy henger alakú homogén testnek a hengerpalásttal párhuamos smmetratengelyére vonatkoó tehetetlenség nyomatékát sámítjuk k sámítás aért egyserű, mert a térfogatelemet egy vékonyfalú csőnek válastva (ábra), a fent térfogat ntegrál sugár sernt ntegrállá alakítható ksemelt térfogatelem dv = rπhdr, így a tehetetlenség nyomaték: R = ρ r dv = ρ πh V 0 3 R Θ r dr = πhρ = mr 4 V dott test esetén a tehetetlenség nyomaték attól függ, hogy a forgástengely hogyan helyekedk el a testhe képest Gyanítható aonban, hogy a különböő tengelyekre vonatkoó tehetetlenség nyomatékok nem függetlenek egymástól Egy lyen össefüggést ad meg egymással párhuamos tengelyekre vonatkoó tehetetlenség nyomatékok köött a ún Stener-tétel ábra egy testnek olyan seletét mutatja, amely merőleges a tömegköépponton átmenő TK- és a vele párhuamos tengelyre - edk tömegelem helyetét a két tengelyhe vsonyítva a R és a TK R vektorok, a két tengely relatív helyetét a a vektor mutatja; mndhárom vektor merőleges a tengelyekre tömegelem tehetetlenség nyomatéka a két tengelyre: Θ = R Δm ΘTK = RTKΔm Mvel R = a + R, at kapjuk, hogy TK 4 V a R R h TK r ρ R TK dr Δm

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 7 Θ = R Δm = ( a + R TK ) Δm = a Δm TK + ar = a Δm + ΘTK + artkδm Itt a = a a két párhuamos tengely távolsága teljes tehetetlenség nyomatékot úgy kapjuk meg, hogy et a össeget a testben felvett párhuamos seletek mnden tömegelemére ksámítjuk, és össeadjuk: Θ = a Δm + ΘTK + a R TKΔm = a m + ΘTK + a R TKΔm utolsó tag a test tömegköéppont-vektorának a tengelyekre merőleges össetevőjét adja meg a tömegköéppont rendserben, értéke tehát nulla, így végül at kapjuk, hogy Θ = a m + ΘTK, ahol m a test teljes tömege Vagys egy tengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomatékot ksámíthatjuk, ha smerjük a vele párhuamos, tömegköépponton átmenő tengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomatékot E a Stener-tétel Rögtett tengely körül forgó merev test energája rögített tengely körül forgó test mechanka energája a forgásból sármaó mogás energával egyenlő E a térfogatelemekre ostás technkájával könnyen ksámítható: E f = Em = Δmv = m R ω = ω m R = Θω egydejűleg haladó- és forgómogást végő test mogás energáját a korábban a pontrendserre kapott össefüggéssel kaphatjuk meg: E m = mvtk + mv = mv TK + Θ TK ω Itt v TK a tömegköéppont sebessége a koordnátarendserünkhö képest, v a -edk tömegelem sebessége a tömegköéppont rendserben (eért serepel tt a tömegköépponton átmenő tengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomaték) teljes mogás energa tehát a tömegköéppontba képelt össtömeg haladó mogásából sármaó mogás energából és a tömegköéppont tengely körül forgásból sármaó forgás energából áll Ha külső konervatív erőtérben a testnek helyet energája s van (belső helyet energa merev testnél nncs), akkor e hoáadódk a mogás energáho E = mvtk + Θ TKω + Eh hogy a pontrendsernél, úgy tt s ga, hogy a mechanka energa megváltoása a nem konervatív erők munkájával egyenlő (tt csak külső erők vannak): Δ E = W nk Ha a nem konervatív erők munkája nulla, akkor a mechanka energa megmarad: E = mvtk + Θ TKω + Eh = állandó Rögtett tengely körül forgás és a haladó mogás analógája Ha a rögített tengely () körül forgó merev test tehetetlenség nyomatéka nem váltok, akkor a mogásegyenlet a + R Δm TK Δm =

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 8 dω Θ = Θ β = M alakba írható Ebből a ϕ sögelfordulás dőfüggésére a alább egyenletet kapjuk, ha dϕ( t ) fgyelembe vessük, hogyω = d ϕ( t ) M = Θ E a egyenlet formalag teljesen aonos a -tengely mentén ajló haladó mogásra felírt d ( t ) F = m ewton-féle mogásegyenlettel, csak a erő helyett forgatónyomaték, a tömeg helyett tehetetlenség nyomaték, a koordnáta helyett pedg sögelfordulás serepel benne egyenlet megoldása a említett mennységek átírása után nylván ugyanolyan, mnt a haladó mogás esetén Így például állandó forgatónyomaték esetén M β = Θ ϕ( t ) = t t0 ω ( t ) = β = ω + β ( t t ω ( t ) = ϕ + ω ( t t t t0 0 0 0 0 0 ) ) + β ( t t tehát a haladó mogás össefüggésevel aonos alakú össefüggéseket kapunk Láttuk, hogy a forgás energa kfejeése s megerősít et a felsmerést, hsen a E f = Θ ω kfejeés a említett mennységek cseréjével a haladó mogás mogás energakfejeésével aonos -tengely ment haladó mogás mnden össefüggése átírható a -tengely körül forgómogás össefüggésévé (és vsont), ha végrehajtjuk a alább cseréket: F m Θ a v M β ω ϕ Merev test mogásegyenletének néhány alkalmaása mogásegyenlet alkalmaására három egyserű esetet vsgálunk meg, a egyk a torós nga, a másk a fka nga, a harmadk pedg egy lejtőn legördülő henger vagy gömb Torós nga torós nga egy rugalmas sálra felfüggestett test, például egy korong (ábra), am a sál csavarásával elndítva, függőleges tengely körül lengőmogást vége korong tehetetlenség nyomatéka a sálra, mnt tengelyre vonatkoóan Θ ktérítés után a sálban fellépő rugalmas erők egy vssatérítő forgatónyomatékot eredményenek, am arányos a sögelfordulással (ϕ) és aal ellentétesen forgat: 0 ),

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 9 M = D* ϕ korong mogásegyenlete eel d ϕ M = D* ϕ = Θβ = Θ, D* am rendeés után a harmonkus regés egyenletének korábban megsmert alakját ölt Θ d ϕ ( t ) D* + ϕ ( t ) = 0 Θ ϕ Ennek megoldása ϕ ( t ) = ϕ0 cos( ωt + α ), D* ahol ω = Vagys a korong lengése lyen Θ körfrekvencájú harmonkus regés les Fka nga fka nga egy vísntes (a ábrán -val jelölt, a raj síkjára merőleges) tengely körül forgatható test, amelynek tömegköéppontja (TK) a tengely alatt helyekedk el Ha a tengelyt és a súlypontot össekötő egyenes nem ϕ S függőleges, akkor a súlyerő egy vssatérítő forgatónyomatékot fejt k, am a ktéréssel (ϕ) ellentétesen TK forgat: M = s F g Ha a -tengelyt a pontból a ábra síkjára merőlegesen kfelé rányítjuk, akkor a forgatónyomaték -komponense: F g M = sfg snϕ = mgs snϕ, így a mogásegyenlet: d ϕ M = mgs snϕ = Θ Itt Θ a testnek a forgástengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomatéka fent egyenletből rendeés után at kapjuk, hogy d ϕ mgs + snϕ = 0 Θ Tudjuk, hogy a nga lengőmogást fog végen, de a kapott egyenlet sernt e nem harmonkus regés Ha aonban a ϕ ktérés kcs, akkor snϕ ϕ, és a egyenlet a harmonkus regés egyenletévé alakul: d ϕ mgs + ϕ = 0 Θ fka nga tehát ks ktérésnél harmonkus regést vége, amt a ϕ ( t ) = ϕ0 cos( ωt + α ) mgs függvény ír le, ahol a körfrekvenca ω = Θ fka nga specáls eseteként a vékony (elhanyagolható tömegű) fonálra felfüggestett pontserű m tömeggel megvalósított ún matematka nga körfrekvencáját és lengésdejét s megkaphatjuk Ekkor a felfüggestés pont és a tömegköéppont távolsága (am a fka ngánál s) éppen a nga l hossa, a

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 0 tehetetlenség nyomaték pedg f 0 Θ = l m g l =, a lengésdő pedg T0 π π l = g, így ω 0 mgl = = ml g l frekvenca Lejtőn legördülő henger (gömb) Ebben a esetben a merev test egydejűleg forgó- és haladó mogást s vége mogás leírásáho at a korább eredményünket hasnáljuk fel, hogy a mogás a tömegköéppont haladó mogására és a tömegköéppont körül forgásra bontható fel Ha a test tstán gördül (nncs csúsás), akkor a testre a nehéség erő (G) és a lejtővel való érntkeésnél fellépő érntőleges kontaktus erő (F T ) lép fel (e utóbb matt gördül a test, és e nem a sokásos értelemben vett súrlódás erő!) test tömege m, sugara R, a lejtő söge α (ábra) tömegköéppont haladó mogására felírhatjuk a y Fe = GT FT = ma F Fey = F G = ma y F R egyenleteket T Ha lejtőre merőleges mogás nncs, akkor a y =0, G amből at kapjuk, hogy F = G, F = G T α lejtő mentén () történő mogásra a G G G T FT = G sn α FT = ma, α a G=mg össefüggés felhasnálásával pedg a mg sn α F T = ma egyenletet kapjuk tömegköéppontra csak a F T erőnek van forgatónyomatéka, am a sögelfordulással aonos rányban forgat, vagys a forgatónyomaték-vektor a tengellyel sembe mutat (a jobbsodrású rendserben a tengely a raj síkjára merőlegesen kfelé mutat) Ematt M = FT R, és a tömegköépponton átmenő vísntes tengely körül forgásra a mogásegyenlet: F T R = Θ β két mogásegyenletben 3 smeretlen serepel (a, β és F T ), de ha a test gördül, akkor a söggyorsulás és a tömegköéppont gyorsulása köött a a = Rβ össefüggés áll fenn (a mínus jel oka: a gyorsulás a + -tengely rányába mutat, a söggyorsulás vsont a - -tengely rányába), így a egyenletrendser megoldható sámolás elvégése után a tömegköéppont gyorsulására a mg snα a =, Θ m + R a söggyorsulásra pedg a mg snα β = Θ R m + R kfejeést kapjuk

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) Ha a legördülő test homogén henger, akkor gyorsulása a henger = g snα, 3 vagys a henger adatatól független Θ h = mr, így a tömegköéppont KÍSÉRLET: Tömör hengert és vele aonos tömegű, belül üres, vékonyfalú hengert (cső) nyugalm helyetből egyserre elndítunk egy lejtő aonos magasságú pontjaról, és megfgyeljük, hogy melyk ér előbb a lejtő aljára t tapastaljuk, hogy mndg a tömör henger ér le előbb, vagys annak a gyorsulása nagyobb kísérlet értelmeése érdekében sámítsuk k egy olyan R sugarú henger gyorsulását, am belül üres, és a tömege egy a henger sugaráho képest vékony héjban helyekedk el (vékonyfalú cső) Ennek a testnek a tehetetlenség nyomatéka jó köelítéssel cső Θ = mr, eért a tömegköéppont gyorsulása a cső = g snα ; sntén független a henger adatatól henger cső Látható tehát, hogy a hengerek adatatól függetlenül a > a, am megmagyaráa a fent tapastalatot: a tömör henger ér előbb a lejtő aljára Hasonló módon sámítható k a gyorsulás egy gömb legördülésénél s gömb tömegköépponton átmenő tengelyre vonatkoó tehetetlenség nyomatéka g 3 5 Θ = mr Ebből a g = g snα 5 7 Merev test perdülete és sögsebessége köött általános össefüggés, sabad tengelyek Láttuk, hogy a merev test perdület-vektora még rögített tengely körül forgásnál sem mndg párhuamos a sögsebességvektorral (forgástengellyel), de a forgástengely rányába eső vetülete arányos a sögsebességgel Sabad mogásnál a perdület és sögsebesség össefüggése még bonyolultabb tehetetlenség tenor, főtehetetlenség nyomatékok Mnt kmutatható, sabad mogásnál s ga a, hogy a perdületvektor komponense lneárs kapcsolatban vannak a sögsebesség komponensevel, de e általában nem egyserű arányosságot jelent általános össefüggés egy deréksögű,y, koordnátarendserben a követkeő : = Θ ω + Θ yω y + Θ ω y = Θ yω + Θ yyω y + Θ yω = Θ ω + Θ ω + Θ ω y Θ, Θ y, Θ y, Θ mennységek (9 adat) a testnek a koordnátatengelyekhe vsonyított tömegeloslását jellemk, és smeretükben a orgón átmenő tetsőleges rányú tengelyre ksámítható a test tehetetlenség nyomatéka E a 9 sám együttesen adja meg a egymással általában nem párhuamos és ω vektor össefüggését, és y Résletesebben pl: udó Á: Kísérlet Fka I

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) et a 9 sámból álló mennységet tehetetlenség tenornak nevek (a tenorokról a fkában és a matematkában később résletesen les só) Fontos tudn, hogy bármely testben található 3 egymásra merőleges rány, amelyekben felvéve a koordnátatengelyeket, érvényes, hogy = Θ ω y = Θ yyωy = Θω Eeket a rányokat főtehetetlenség tengelyeknek, a általuk meghatároott koordnátarendsert pedg főtengelyrendsernek nevek defnáló egyenletekből látható, hogy ha egy test egyk főtehetetlenség tengelye körül forog, akkor a és ω vektor egymással párhuamos Ha pl a forgástengely a -tengely, akkor ω = ω y = 0, eért = y = 0, vagys = k = Θ ω k = Θ ω Semléletesen s belátható, hogy bonyos smmetrával rendelkeő testek esetén a főtehetetlenség tengely a smmetratengelyen van Ha például a test egy smmetratengelyre merőleges metsetének centrum-smmetrája van, akkor e a tengely btosan főtehetetlenség tengely, hsen a ábra alapján látható, hogy lyen tengely körül forgásnál a smmetrkus térfogatelem-párok ω perdületvektora a tengelyre smmetrkusan helyekedk el, így a eredőjük és a teljes perdület s tengelyrányú les v Könnyen belátható, hogy egy deréksögű hasáb v v három főtehetetlenség tengelye a három v kfelé befelé egymásra merőleges "kétfogású" forgástengely, r r r r a hengeré a palásttal párhuamos smmetratengely és mnden erre merőleges kétfogású forgástengely, a gömbé pedg mnden a köépponton átmenő tengely (ábra) oldalnéet y y y θ =θ yy θ =θ yy =θ Sabálytalan testnél a főtehetetlenség tengelyek semlélet alapján nem találhatók meg, de sámítással vagy kísérlet útján meghatárohatók Sabad tengelyek tapastalat sernt a testek akkor s végenek forgó mogást, ha nncs külső beavatkoással rögített forgástengely lyen spontán kalakuló forgástengelyeket sabad tengelyeknek nevek

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 3 sabad tengely kalakulása és a, hogy mlyen tengely lehet sabad tengely, jól semléltethető a alább kísérletekkel KÍSÉRLETEK: Késítsünk egy deréksögű hasábot úgy, hogy a egyk élhossa sokkal nagyobb legyen, mnt a másk kettő, és a rövdebb élhossak köött s legyen lényeges eltérés Függessük fel a hasábot egy drótra a hossú oldalara merőleges lapja köepén úgy, hogy a felfüggestés mnden rányban megengedje a elfordulást Eután a felfüggestő drótot forgassuk meg Kedetben a hasáb a hossú oldalával párhuamos, függőleges tengely körül forog, de a sögsebességet növelve vísntes helyetbe ugrk át, és a legrövdebb oldallal párhuamos smmetratengely körül forog tovább Megjegyés: a hossant tengely a hasáb legksebb-, a vísntesbe fordulás után tengely pedg a legnagyobb tehetetlenség nyomatékú, tömegköépponton átmenő főtehetetlenség tengelye Hurok alakú kerékpárláncot függessünk fel egy drótra úgy, hogy a hurok össecsukódva lógjon a dróton, majd a drótot forgassuk meg lánc kedetben össecsukódva forog, majd a sögsebesség növelésekor egyser csak vísntes helyetbe ugrk át, a hurok a forgástengelyre merőleges síkú körré tágul, és a forgástengely a kör köéppontján megy át Megjegyés: a lánc előbb a legksebb-, aután a legnagyobb tehetetlenség nyomatékú, tömegköépponton átmenő tengely körül forog tt serett tapastalatok egyenek a általános tapastalatokkal, amelyek sernt sabad tengely csak főtehetetlenség tengely lehet, csak tömegköépponton átmenő tengely lehet, stabls forgás csak a legnagyobb- és a legksebb tehetetlenség nyomatékú főtehetetlenség tengely körül jön létre (előbb a stablabb) fent tapastalatok elméletleg s értelmehetők, ha megvsgáljuk a sabad tengely létrejöttének feltételet Egy tengely körül forgó test egy térfogatelemére (pl a - edkre) a centrpetáls erő hat (a nehéség erőt most elhanyagoljuk), am a ábra jelölésevel: F = Δmω R Ugyanennek a erőnek forgatónyomatéka s van: ω Δm M = r F F forgásho sükséges eredő erő és eredő R forgatónyomaték: R TK s F = Δ ω R M = r m F r TK r TK Et a erőt és nyomatékot a tengelyek rögítése (csapágyak) adja Ha a test tömegeloslása olyan, hogy egy tengely körül forgásnál fennállnak a F = 0, M = 0 feltételek, akkor a tengelyre ható erők és forgatónyomatékok eredője s nulla, a test sabadon forog a adott rány körül, és nncs sükség tengelyre fent feltételekből meghatároható, hogy mlyen tengelyek jöhetnek sóba sabad tengelyként r

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 4 első feltétel követkeményének kderítése érdekében a tömegelemek helyvektorat bontsuk a tengellyel párhuamos ( r )- és arra merőleges ( R ) össetevőkre, majd tegyük ugyanet a tömegköéppont helyvektorával s ( r és R TK TK ) test tömegköéppont-vektora így r TK = Δmr = Δm ( r + R ) = m r + m R = r + R Δ Δ TK TK m m m m Esernt a tömegköéppont-vektor tengelyre merőleges össetevőjét megadó vektor RTK = Δm R m Eel a erőkre vonatkoó F = 0 feltétel a alább alakba írható: Δ m ω R = ω mr = 0 E csak úgy teljesülhet, ha R TK =0, vagys a tömegköéppont a tengelyen van Sabad tengely tehát csak tömegköépponton átmenő tengely lehet, hogy a sabad tengelynek mndg főtehetetlenség tengelynek kell lenne, a nyomatékra vonatkoó M = 0 feltételből követkek hossabb sámolás után, amt tt mellőünk Merev test forgása rögített pont körül, a pörgettyű sabad forgásénál kevesebb, a rögített tengely körül forgásénál több a sabadság foka a mogásnak, ha a test egy pontja rögített, és a forgás ekörül történk lyen módon mogó testet pörgettyűnek nevek pörgettyűk mogásának leírása sempontjából fontos a forgó test alakja s Itt csak aal a egyserű esettel foglalkounk, amkor a homogén anyagú pörgettyű hengersmmetrkus, és a forgáspont a smmetratengelyen van (ábra) E egyúttal at s jelent, hogy a súlypont a smmetratengelyen van, és a pörgettyű három főtehetetlenség nyomatéka ( Θ, Θ, Θ ) köül kettő megegyek ( Θ = Θ Θ ) lyen pörgettyűt smmetrkus pörgettyűnek nevek pörgettyűk mogásának vsgálatánál két alapesetet érdemes megkülönbötetn: Ha a külső erők rögített forgáspontra vonatkoó forgatónyomatékanak eredője nulla, akkor erőmentes pörgettyűről besélünk ehéség erőtérben e a feltétel rendsernt úgy valósítható meg, hogy a rögített (alátámastott) forgáspont a test súlypontjában van Ha a külső erők forgatónyomatéka a forgáspontra vonatkoóan nem nulla, akkor a pörgettyű neve súlyos pörgettyű elneveés aal függ össe, hogy nehéség erőtérben e általában at jelent, hogy a forgáspont (alátámastás pont) nem esk egybe a súlyponttal, eért a súlyerőnek a forgáspontra vonatkoó forgatónyomatéka általában nem nulla TK sámolás megtalálható: udó Á: Kísérlet Fka I

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 5 Erőmentes, smmetrkus pörgettyű mogása, a nutácó erőmentes smmetrkus pörgettyű mogásának vsgálatát kísérlettel kedjük: KÍSÉRLET: Súlypontjában () alátámastott pörgettyűt ferdén álló smmetratengelye () körül gyorsan megforgatjuk (baloldal ábra) Ekkor a pörgettyű a tengelye rányát megtartva forog smmetratengelyt kssé kbllentve (a jobboldal ábrán a függőlegeshe köelítve), a tengely egy kúp mentén körbeforog jelenség neve: nutácó ω ω megforgatott pörgettyű smmetratengelye sabad tengely, tehát akörül foroghat a test forgástengely a rányát aért tartja meg, mert tengelyrányú perdületet aunk a pörgettyűnek, és e megmarad, hsen nncs külső forgatónyomaték Itt tehát a smmetratengely, a ω vektor (forgástengely) és a perdületvektor ránya egybeesk kbllentéskor megváltok a perdület, de a külső hatás megsűnése után a új perdület megmarad lökés hatására aonban a smmetratengely és a ω vektor (pllanatny forgástengely) ránya sem egymással, sem pedg a perdületvektor rányával nem egyek meg többé alapos megfgyelés at mutatja, hogy a smmetratengely és a pllanatny forgástengely a perdületvektor rögített ránya körül egy-egy kúp mentén körbeforog, úgy hogy, ω és mndg egy ω síkban vannak (ábra) együttes körbeforgás oka lényegében a, hogy a ω vektor (pllanatny nutácós forgástengely) most nem esk egybe a tengellyel, kúp eért a tengely kfordul a és által meghatároott síkból E aonban csak úgy történhet, hogy a perdületvektor állandó marad Ha a perdületet és tengely rányú komponensekre bontjuk (ábra), akkor at írhatjuk, hogy = Θ ω = Θω ω ( és főtehetetlenség tengelyek) Mvel a tengely ω elfordulása matt és ω s kfordul a és által meghatároott síkból, állandósága matt -nak és ω - nak s ugyanet kell tenne, vagys a ω vektor együtt forog a tengellyel a állandó perdületvektor körül ω

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 6 Ha olyan erőmentes pörgettyűt késítünk, amely tetsőleges rányban elfordulhat (ardano -féle felfüggestés; ábra), és et úgy houk forgásba, hogy a forgástengely és a perdületvektor ránya egybeesk a smmetratengellyel, akkor a pörgettyű et a forgástengelyt akkor s megtartja, ha a alátámastása elfordul lyen, tengelyrányát megtartó pörgettyűt groskópnak nevek Ennek a vselkedésnek egy példája, hogy a Föld egyenlítőjén Kelet- yugat rányú, vísntes tengely körül forgásba hoott groskóp tengelye a Föld forgása matt egy negyed nap alatt függőleges rányúvá válk (valójában megtartja a rányát, és a Föld fordul el) Súlyos, smmetrkus pörgettyű mogása, a precessó Ha a pörgettyű forgáspontjára vonatkoó forgatónyomaték nem nulla, akkor mogása lényegesen eltér a erőmentes pörgettyűétől lyen pörgettyű gyakor esete, hogy a külső forgatónyomaték a nehéség erőtől sármak, vagys a pörgettyű forgáspontja () nem esk egybe a súlyponttal (S) lyen pörgettyűt súlyos pörgettyűnek nevek (Megjegyeük, hogy súlyos pörgettyűnek sgorúan véve at a pörgettyűt nevek, amelynél a S a pont felett van; ha S a pont alatt van, akkor pörgettyűs ngáról besélünk) KÍSÉRLET: Súlypontja (S) alatt alátámastott () pörgettyűt ferdén álló smmetratengelye körül gyorsan megforgatjuk, és magára hagyjuk pörgettyű továbbra s a smmetratengelye körül forog, de e a tengely kúpfelületet leírva lassan körbeforog (ábra) jelenséget precessónak nevek S forgás G ω smmetratengely körül gyors forgatás btosítja, hogy a smmetratengely, a ω vektor (forgástengely) és a perdületvektor ránya egybeesk ( ω >> ω eért >>, vagys ) Most aonban a pörgettyűre a G súlyerő a pontra vonatkoó, a ábra síkjára merőleges, befelé mutató forgatónyomatékot fejt k Mvel a mogásegyenlet sernt d = M, a perdület a forgatónyomaték-vektor rányában megváltok Mvel a perdületvektor a smmetratengellyel egybeesk, a smmetratengely ránya a perdülettel együtt váltok Esetünkben e at jelent, hogy a tengely mndg a súlyerő és a tengely által meghatároott síkra merőlegesen modul el: a tengely csúcsa körön, a tengely maga egy kúpfelületen moog precessó még látványosabban bemutatható egy bcklkerék segítségével Gerolamo RD (50-576) olas termésettudós

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 7 KÍSÉRLET: Egy vísntes tengelyű bcklkereket gyorsan megforgatunk, és a tengelyt egyetlen pontján madaggal felfüggestjük (ábra) Ekkor a kerék továbbra s a vísntes (sabad) tengely körül forog, de a tengely vísntes síkban függőleges tengely körül körbeforog M (befelé) G ω d (befelé) tengely körbeforgásának sögsebessége, vagy más sóval a precessó sögsebessége a mogásegyenlet alapján várhatóan arányos a külső Ω dϑ p forgatónyomatékkal, de pontos értéke s ksámítható a mellékelt ábrák segítségével d precessó sögsebessége (t+δt) dϑ S Ω p = (t) ϕ ϕ ábra alapján: G s d d ϑ =, snϕ másrést a mogásegyenletből d = M, így M Ω p = Ω p snϕ Ha a nyomaték a nehéség erőtől sármak, akkor a ábra alapján ω M = Gs snϕ = mgs snϕ, G M eért (befelé) mgs mgs Ω p = = Θ ω pörgettyűnyomaték precessót egy a pörgettyűvel kölcsönhatásban álló test által kfejtett forgatónyomaték okoa ewton III törvénye értelmében a pörgettyű ugyanekkora, de ellentétes M rányú forgatónyomatékot fejt k a kölcsönható testre Et a forgatónyomatékot pörgettyűnyomatéknak forgatás nevek precessót létrehoó nyomaték a korábbak F* -F ω alapján: M = Ω p snϕ F -F* Ω M=Ω p =Θ Ω p ω p forgatás pörgettyűnyomaték ennek megfelelően: M*=-M= Ω p =Θ ω Ω p M*= -M

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 8 pörgettyűnyomatékot mutatja a alább kísérlet (fent ábra) KÍSÉRLET: Hounk forgásba egy vísntes tengelyen forgó bcklkereket, és a tengelyt próbáljuk függőleges síkban a óramutató járásával ellentétesen elfordítan (ábra) Ekkor at éreük, hogy a tengelynek függőleges síkban történő elforgatása csak akkor skerül, ha a két keünk a tengelyt megtartó erőpárt (a ábrán F és -F) fejt k E a erőpár a tengelyt vísntes síkban a óramutató járásával ellentétes rányba forgatná el (e felfelé mutató M forgatónyomaték-vektort jelent) E a tengely elforgatásáho (Ω p ) aa a precessóho sükséges nyomaték Ennek ellenhatásaként megjelenő erőpár (a ábrán F* és -F*) hatását éreük a keünkön, am a tengelyt vísntes síkban a óramutató járásával egyeő rányban akarja elforgatn E okoa a M* pörgettyűnyomatékot lkalmaások pörgettyűk sajátos vselkedésének sámos megnylvánulását megfgyelhetjük, lletve felhasnálhatjuk, amelyek köül néhányat tt megemlítünk erőmentes pörgettyűnek at a sajátságát, hogy forgástengelyének rányát megtartja, mogások stablálására lehet hasnáln (hajókon, egysínű vasúton erre nagy tehetetlenség nyomatékú pörgettyűt hasnálnak, a dskosvető a dskost pörögve hajítja el, ematt a dskos függőlegeshe képest ferde síkját megtartja, így egy állandó felhajtóerő lép fel, amtől messebbre repül a dskos, a lövedékek s pörögve repülnek k a fegyver csövéből, am sntén a mogás stablálását solgálja) erőmentes pörgettyű érdekes alkalmaása a ún pörgettyűs ránytű, amely egy függőleges és vísntes tengely körül sabadon elforduló pörgettyű (baloldal ábra) Ha egy lyen pörgettyűt gyors forgásba hounk, akkor tengelye a Földön Ésak-Dél rányba áll be, vagys ránytűként hasnálható Ennek oka a Föld forgásából sármaó orols-erő E a jobboldal ábra segítségével érthető meg, ahol a pörgettyű sematkus felülnéet raja látható Föld sögsebességvektora (ω F ) a ábrán felfelé, a pörgettyű sögsebességvektora (ω ) Ésakkelet felé mutat pörgettyűnek a ábra síkjában lévő tömegeleme a tengelytől jobbra a ábra síkjára merőlegesen befelé (v be ) a baloldalt lévők kfelé (v k ) moognak Ennek megfelelően a F =mv ω F orols-erő a jobboldal tömegelemekre jobb felé (F ), a baloldalakra bal felé (F ) mutat, így egy olyan erőpár jön létre, amely a pörgettyű tengelyét a Ésak-Dél rányba forgatja be (e a egyensúly helyet, mert ekkor nulla a forgatónyomaték) kerékpár egyensúlyának stablálásában s serepet játsk a pörgettyűhatás Ha a kerékpár valamlyen okból a haladás rányho vsonyítva jobbra dől, akkor a súlypont a alátámastástól jobbra kerül, eért fellép egy előre mutató forgatónyomaték Ematt a első kerék perdülete amely balra mutat a haladás rányában váltok meg Így a kerék perdületvektora, és vele együtt a kerék tengelye jobbra fordul, és a alátámastás a súlypont felé modul el: a pörgettyűhatás a kerékpár stablálódását segít elő F v k ω F ω v be F

TÓTH : Merev test (kbővített óraválat) 9 Jobbra kanyarodó jármű kerekenek tengelye a haladás rányho vsonyítva jobbra fordul, tehát a precessó sögsebességvektora lefelé mutat kerék sögsebességvektora balra mutat, eért a útra (sínre) ható pörgettyűnyomaték vektora (M*=Θ ω Ω p ) hátrafelé mutat E a forgatónyomaték a út külső oldalán lévő baloldal kereket rányomja a útra, a út belső oldalán lévő jobboldal kereket pedg megemel, am (a egydejűleg fellépő centrfugáls erővel együtt) felborulásho veethet