42
IMPULS I KOLIČINA GIBANJA • Princip metode energija-rad korisna je za određivanje promjene brzine čestice za vrijeme zadanog pomaka. Ukoliko je potrebno odrediti promjenu brzine čestice za vrijeme zadnog vremenskog intervala, tada princip impulsa i količine gibanja (momentuma) daje praktično značenje analize. Impuls sile je dinamička veličina koja opisuje djelovanje sile na česticu tijekom vremena. Elementarni impuls sile definira se kao produkt sile F i elementarnog intervala vremena dt = d dt IF

IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

  • Upload
    syshe

  • View
    172

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

IMPULS I KOLIČINA GIBANJA Princip metode energija-rad korisna je za određivanje promjene brzine čestice za vrijeme zadanog pomaka. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Princip metode energija-rad korisna je za određivanje promjene brzine čestice za vrijeme zadanog pomaka.

• Ukoliko je potrebno odrediti promjenu brzine čestice za vrijeme zadnog vremenskog intervala, tada princip impulsa i količine gibanja (momentuma) daje praktično značenje analize.

• Impuls sile je dinamička veličina koja opisuje djelovanje sile na česticu tijekom vremena.

• Elementarni impuls sile definira se kao produkt sile F i elementarnog intervala vremena dt

=d dtI F

Page 2: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Integriranjem ovog izraza unutar nekog intervala vremena

(t1− t2), slijedi impuls sile I:

• Impuls sile je vektor. Ako je F=konst. , vektor impulsa ima pravac i smjer vektora sile.Jedinica za impuls sile je [Ns].

• Vektorsku jednadžbu za impuls sile moguće je riješiti bez poznavanja zakona gibanja čestice samo ako je sila ovisna o vremenu, tj.:

• Vektor impulsa sile prikazuje se pomoću komponenata u nekom koordinatnom sustavu.

2

1

=t

t

dtI F

= ( )tF F

Page 3: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Impuls sile u npr. Descartesov koordinatnom sustavu jednak je trima skalarnim jednadžbama:

gdje su Fx, Fy i Fz komponente sile F.

2

1

2

1

2

1

t

x x

t

t

y y

t

t

z z

t

I F dt

I F dt

I F dt

Page 4: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Za opisivanje gibanja čestice čija je brzina poznata, koristi se dinamička veličina nazvana količina gibanja (momentum).

• Količina gibanja p predstavlja produkt mase m i brzine v čestice, tj.

• Količina gibanja je vektor, pravca i smjera kao i vektor brzine.

=mp v

Page 5: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Deriviranjem izraza za vektor količine gibanja po vremenu, slijedi:

• To je opći oblik Newtonovog II zakona. Dakle, derivacija vektora količine gibanja po vremenu, jednaka je vektoru sile koja izaziva to gibanje (sila je jednaka stopi promjene količine gibanja).

=d d

m mdt dt

p v a F

Page 6: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Množenjem izraza s dt i integriranjem unutar razmatranog intervala vremena (t1 − t2), dobije se:

• Ovo je zakon količine gibanja (impulsa). On pokazuje da je promjena količine gibanja čestice u nekom intervalu vremena, jednaka impulsu sile koja djeluje na česticu u istom intervalu vremena.

2 2

1 1

2

1

2

1

2 1

2 1

p t

p t

t

t

t

t

d dt

dt

m m dt

p F I

p p F I

v v F I

Impuls sile jednak je promjeni količine gibanja tijela na koje djeluje ta sila.

Page 7: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Zakon količine gibanja npr. u Descartesovom koordinatnom sustavu jednak je trima skalarnim jednadžbama:

• Očigledno je da bez impulsa sile nema promjene brzine. Prema tome, ako je I = 0, tada vrijedi:

• Taj izraz predstavlja zakon (princip) održanja količine gibanja.

2 1p p

2

1

2

1

2

1

2 1 2 1

2 1 2 1

2 1 2 1

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

t

x x x x x

t

t

y y y y y

t

t

z z z z z

t

p p m m F dt

p p m m F dt

p p m m F dt

v v

v v

v v

Page 8: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

MOMENT KOLIČINE GIBANJA

• Neka na čestica mase m, koja se giba uzduž krivulje u prostoru, djeluje sila F. Čestica se nalazi u položaju određen vektorom položaja r u odnosu na ishodište O koordinatnog sustava x, y, z.

• Analogno statičkom momentu sile za točku MO u dinamici se definira veličina koja se naziva moment količine gibanja (ili kinetički moment, momentum) za točku LO.

• Vektor toga momenta za neku točku O, jednak je vektorskom (ex) produktu vektora položaja r i vektora količine gibanja p čestice, tj.:

O x xm L r p r v

Page 9: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Vektor LO okomit je na ravninu u kojoj leže vektori r i p (međusobno zatvaraju kut α ).

• Veličina vektora momenta količine gibanja čestice za točku O u skalarnom obliku je:

a smjer mu je definiran je pravilom desne ruke.

• Jedinica momenta količine gibanja je [kgm2s-1= Nms].

• Kako je količina gibanja pogodna za opisivanje translacije čestice, tako je moment količine gibanja pogodan za opisivanje njene rotacije.

L r m v

Page 10: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Deriviranjem izraza za moment količine gibanja za točku O, slijedi:

• Član vxmv je jednak nuli pošto je umnožak paralelnih vektora jednak nuli. Stoga je:

• To je zakon momenta količine gibanja. Iskazan riječima on glasi: Derivacija momenta količine gibanja čestice po vremenu za neku točku, jednaka je momentu sile koja djeluje na česticu za istu točku.

O x x x x x xd d d

m m m m mdt dt dt

L r p r v r v r v v v r v

O Oxd

mdt

L r v M

Rezultantni moment oko točke O svih sila koje djeluju na česticu jednak je derivaciji momentuma oko točke O.

Page 11: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Izraz za zakon momenta količine gibanja vrijedi i za bilo koju os koja prolazi kroz točku O. Tako npr. za os x, y i z, zapis ovog zakona glasi:

• U posebnom slučaju kada je MO= 0 (nema momenta vanjskih sila za točku O), vrijedi:

• To se događa ako je sila F = 0, odnosno kada se čestica giba jednoliko pravocrtno ili ako vektori r i F leže na istom pravcu. Drugi slučaj jest kada sila F tijekom gibanja uvijek prolazi kroz nepomičnu točku O (tzv. centralno gibanje).

• Ovaj izraz predstavlja zakon (princip) održanja momenta količine gibanja.

O O O; ;x x y y zO O z O

d d d

dt dt dt L M L M L M

O .d

konstdt

L

Page 12: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Kako bi se dobio utjecaj momenta na moment količine gibanja čestice tijekom određenog intervala vremena potrebno je integrirati izraz za zakon momenta količine gibanja u vremenu t1 do t2 kako slijedi:

gdje je (L0)2=r2·m·v2 i (L0)1=r1·m·v1. Kod rotacije čestice, umnožak momenta i vremena je određen kao impuls. • Ovaj princip impulsa i momenta količine gibanja kaže kako je

ukupni impuls na česticu mase m koja se rotacijski giba oko točke O jednak odgovarajućoj promjeni momenta količine gibanja oko točke O.

02 2

01 1

2

1

0 O

0 O

0 0

0 2 0 1 0( ) ( )

L t

L t

t

t

dL r m v r F M dt

dtdL M dt

dL M dt

L L M dt

Page 13: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Princip impulsa i količine gibanja kod rotacije čestice tijekom vremenskog intervala t1 do t2 po osima x, y , z dat je izrazima:

• Kada je MO= 0 (nema momenta vanjskih sila za točku O), vrijedi: princip impulsa i količine gibanja kod rotacije čestice oko točke O tijekom vremenskog intervala t1 do t2 dat je izrazom:

• koji predstavlja princip očuvanja momenta količine gibanja.

2 2

1 1

2 2

1 1

2 2

1 1

2 1

2 1

1

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

x x x

y y y

z z z

t t

O O O x

t t

t t

O O O y

t t

t t

O y O O z

t t

L L M dt F rdt

L L M dt F rdt

L L M dt F rdt

2 1( ) ( )O OL L

Page 14: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

DINAMIKA SUSTAVA ČESTICA

• Sustav čestica je skup međusobno povezanih čestica kod kojih gibanje pojedine čestice ovisi o gibanju svih ostalih čestica.

Na svaku česticu mogu djelovati sile, kao posljedica djelovanja drugih tijela izvan promatranog sustava. Te su sile za promatrani sustav vanjske.

Na svaku od n čestica sustava može djelovati jedna takva vanjska sila Fi kao rezultanta djelovanja drugih tijela na tu česticu.

Page 15: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Prema principu izolacije svaku česticu možemo osloboditi veza s drugim česticama iz sustava.

• Oslobađanjem čestice mase mi pojedinih veza zamišljamo da na česticu umjesto veze djeluje sila ovisna o karakteru veze.

Page 16: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Unutar sustava može svaka čestica biti povezana sa svim ostalim česticama pa takvih veza može biti n-1.

• Oslobađanjem čestice mi veze koja je povezuje sa česticom mj dobiva se sila Sij kao djelovanje čestice mj na česticu mi.

• Sile koje djeluju na česticu kao posljedica tih veza su unutarnje, koje su zajedno s rezultantnom vanjskom silom Fi mjerodavne za gibanje čestice mi.

Page 17: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Veze u sustavu čestica mogu biti krute, elastične i kinematske.

• Kada su sve veze krute, sustav čestica se ponaša kao kruto tijelo.

• Elastične veze ovise o međusobnom položaju čestica (npr. veza pomoću opruge).

• Kinematske veze uvjetuju određeno gibanje jedne čestice u odnosu na drugu.

Page 18: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Bez obzira na vrstu veze, unutarnje sile se prema III Newtonovom zakonu javljaju u parovima, tako da je sila Sij na česticu mase mi, koja je posljedica veze s česticom mj, jednaka i suprotno usmjerena sili Sji na česticu mj od veze s česticom mi:

• Za cijeli sustav tada vrijedi da je suma svih unutarnjih sila jednaka 0:

• a također i zbroj momenata unutarnjih sila prema nekoj točki O jednak je nuli:

0iji j

S

0iji j

r S

ij jiS S

Page 19: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Parovi unutarnjih sila i parovi momenata unutarnjih sila prema istoj točki međusobno se poništavaju.

• Za idealno krute veze bit će rad sile Sij jednak po iznosu i suprotnog predznaka radu unutarnje sile Sji, dok jer rad unutarnjih sila koje potječu od veza s otporima (npr. prigušenja) uvijek negativan.

• Svaka čestica u sustavu može imati 3 stupnja slobode gibanja, pa za sustav od n čestica ukupan broj stupnjeva slobode iznosi 3n.

• Kinematske veze smanjuju broj stupnjeva slobode sustava, a između pojedinih koordinata postoje jednadžbe veze.

Page 20: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

Osnovni zakoni sustava čestica

1. Jednađžba gibanja• Za svaku česticu u sustavu može se napisati jednadžba gibanja

u kojoj je rezultanta svih sila koje djeluju na česticu (vanjske i unutrašnje) jednaka umnošku mase i ubrzanja. Za i-tu česticu mase mi, kojoj je ubrzanje ai druga derivacija vektora položaja r ta jednadžba u skalarnom obliku glasi:

• a za sve čestice zbrojene zajedno

i ij ii

F S m r

i ij ii i j i

F S m r

Page 21: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

2. Zakon centra mase sustava čestica

• Centar masa sustava giba kao čestica ukupne mase pod djelovanjem rezultantne sile svih vanjskih sila.

• Iz statike je poznato da se centar masa, koji je u tehničkim problemima istovjetan s težištem; izračunava pomoću izraza:

• Pomoću tog zakona moguće je promatrati gibanje sustava kao cjeline bez određivanja gibanja pojedinih čestica.

, ,i c i i c ii i i i

c

F r m F R r a m m

R m a

i ii

ci

i

m rr

m

Rezultantna sila R ne mora prolaziti kroz centar C.

Page 22: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

3. Zakon kinetičke energije

• Razlika ukupne kinetičke energije sustava na kraju perioda gibanja (2) i na početku jednaka je radu svih vanjskih i unutrašnjih sila sustava:

Kinetička energija i-čestice:

Ukupna kinetička energija sustava čestica:

2 1

22 22 1

12 2

k k

i i i ii i ij i

i i i i j

E E W

m v m vF dr S dr

2

2i i

ki

m vE

2

2i i

ki

m vE

Page 23: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

4. Zakon o održanju mehaničke energije

• Zakon o održanja mehaničke energije u općem obliku glasi jednako kao i kod čestice:

• Potencijalna energija suma je potencijalnih energija svih konzervativnih sila u sustavu bez obzira na to jesu li vanjske ili unutrašnje. U slučaju da su neke od sila nekonzervativne, npr. sila trenja, primjenjuje se isti izraz kao i kod čestice:

pri čemu je rad nekonzervatinlih sila WT suma radova nekonzervativnih sila u sustavu kako vanjskih tako i unutrašnjih.

2 1 2 1 0k k p pE E E E

2 1 2 1k k p p TE E E E W

Page 24: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

5. Zakon količine gibanja.

• U ukupnom impulsu dolaze samo vanjske sile budući da je impuls svih unutrašnjih sila sustava jednak nuli.

• Količina gibanja i-čestice:• Zakon količine gibanja za i-česticu:

• Vektorska suma količina gibanja svih čestica daje količinu gibanja sustava u skalarnom obliku:

i i ip m v

2

1

2

1

2 1

2 1

t

ii t

t

ii t

p p F dt

mv mv F dt

i ii

p m v

2 2

1 1

2 1

t t

i i i iji jt t

p p Fdt S dt

Page 25: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Derivacija količine gibanja cijelog sustava jednaka je rezultantnoj sili svih vanjskih sila. To je drugi oblik zakona o gibanju centra masa sustava čestica

6. Zakon održanja količine gibanja.• Kada je impuls vanjskih sila cijelog sustava jednak nuli (npr.

nema vanjskih sila), pojedine čestice mogu promijeniti brzine, ali samo tako da ukupna količina gibanja ostaje nepromijenjena.

2 1p p

ii i i i i c c c

i i i

dvdpm m a m a ma a r

dt dt

dpR

dt

Page 26: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

7. Zakon momenta količine gibanja.• Derivacija kinetičkog momenta sustava po vremenu jednaka

momentu svih vanjskih sila s obzirom na točku O.

8. Zakon (princip) o održanju momenta količine gibanja.• U slučaju kada je suma momenata vanjskih sila prema točki O

jednaka nuli, kinetički moment u sustavu ostaje tokom vremena nepromijenjen, tako da je:

2 1O OL L

O O

O O

x x x

x

i i i i i i iji i i j

i ii

dm

dt

d

dt

L r r r F r S M

L r F M

Page 27: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

9. Princip impulsa i momenta količine gibanja:

2

1

2 1( ) ( )t

O O O

t

L L M dt

Page 28: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

PRIMJER:•Dva bloka povezana užetom, zanemarive mase, otpuštaju se iz stanja mirovanja. Masa bloka A je 40 kg, a bloka B 30 kg. Koeficijent trenja klizanja između podloge i bloka A je 0,15. Konop klizi preko glatke koloture čija se težina zanemaruje. Koja je njihova brzina kada se pomaknu za 0,4 m? Zadatak je potrebno riješiti na dva načina i to:

a) razmatranjem svakog bloka kao zasebne čestice,

b) razmatranjem oba bloka kao jednog sustava.

Poznato: mA=40 kg, mB=30 kg v1=0 m/s, s=0,4 m, μ=0,15 mm, α=20°.

mA

mB

α μ

s

s

12

Page 29: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Ukoliko se svaki blok oslobodi veza i razmatra kao zasebna čestica, potrebno je nacrtati dva plana slobodnog tijela. Pri tome je potrebno paziti kako se za obje čestice mora pretpostaviti pozitivan smjer sila u smjeru gibanja po obje osi.

 

• Prema planu slobodnog tijela za oba bloka, sila u užetu je S=SAB=-SBA. Budući da su blokovi A i B vezani užetom konstantne dužine, ova kinematska veza (ograničenje) uvjetuju da se blokovi gibaju istom brzinom.

• Pošto se traži brzina, primijeniti će se zakon kinetičke energije (metoda energija-rad). Sile koje vrše rad kod bloka A su sila u užetu S, komponenta težine po osi x i sila trenja S. U tom slučaju zakon kinetičke energije, tj. rad koji mijenja kinetičku energiju bloka A može se napisati kao:

y x S

GA

20° TN

y x

S

GB

v2

v2

Page 30: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Ukoliko se svaki blok oslobodi veza i razmatra kao zasebna čestica, potrebno je nacrtati dva plana slobodnog tijela. Pri tome je potrebno paziti kako se za obje čestice mora pretpostaviti pozitivan smjer sila u smjeru gibanja po obje osi.

 

• Prema planu slobodnog tijela za oba bloka, sila u užetu je S=SAB=-SBA. Budući da su blokovi A i B vezani užetom konstantne dužine, ova kinematska veza (ograničenje) uvjetuju da se blokovi gibaju istom brzinom.

• Pošto se traži brzina, primijeniti će se zakon kinetičke energije (metoda energija-rad). Sile koje vrše rad kod bloka A su sila u užetu S, komponenta težine po osi x i sila trenja S. U tom slučaju zakon kinetičke energije, tj. rad koji mijenja kinetičku energiju bloka A može se napisati kao:

y x S

GA

20° TN

y x

S

GB

v2

v2

Page 31: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Pošto se traži brzina, primijeniti će se zakon kinetičke energije (metoda energija-rad). Sile koje vrše rad kod bloka A su sila u užetu S, komponenta težine po osi x i sila trenja S. U tom slučaju zakon kinetičke energije, tj. rad koji mijenja kinetičku energiju bloka A može se napisati kao:

 

y x S

GA

20° TN

v22

1

2

1

2

1

2

1

( 2) ( 1) (1 2)

2 22 1

22

22

0,422

0

22

1 1

2 2

10 ( sin 20 )

2

1( sin 20 cos20) cos20

2

1sin 20 sin 20

2

10,4 0

2

A A Ak k

s

A A iis

s

A

s

s

A A A

s

s

A A As

A

E E W

m v m v Fds

m v S G T ds

m v S m g m g ds T N G

m v S s s m g s m g

m v S

,4 sin 20 0,4 sin 20A Am g m g

Page 32: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Sile koje vrše rad kod bloka B su sila u užetu S i težina GB. Stoga rad koji mijenja kinetičku energiju bloka B je:

•  

 

y x

S

GB

v2

2

1

2

1

2

1

2

1

( 2) ( 1) (1 2)

2 22 1

22

22

0,422

0

22

1 1

2 2

10 ( )

2

1( )

2

1

2

10,4 0,4

2

k B k B B

s

B B iis

s

B

s

s

B B

s

s

B Bs

B B

E E W

m v m v Fds

m v S G ds

m v m g S ds

m v m g s S s

m v m g S

Page 33: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Jednadžbe zakona kinetičke energije za blok A i B čine sustav jednadžbi od dvije s dvije nepoznanice i to S i v2. Zbrajanjem ovih dviju jednadžbi, radi eliminacije sile užeta S (suprotnog predznaka) može se izračunati brzina v2:

 

2 22 2

22

22

22

1 10,4 0,4 sin 20 0,4 sin 20 0,4 0,4

2 21

( ) 0,4 sin 20 0,4 sin 2021

(40 30) 0,4 40 9,81sin 20 0,4 0,15 40 9,81cos20 30 9,81 0,42

35 (40sin 20 0,15 40

A B A A B

A B A A B

m v m v S m g m g m g S

v m m m g m g m g

v

v

cos20 30)0,4 9,81

2,065 m/sv

Page 34: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

b) Kada se oba bloka razmatraju kao jedan sustav, sila u užetu postaje unutrašnja sila, pa se stoga ne uzima u obzir. U tom slučaju svaki blok (čestica) ima isti pomak, pa je rad unutrašnjih sila jednak ali suprotni kolinearni par i stoga se ne razmatra. Reakcije u ležaju kolutore ne vrše rad (nema pomaka).

 

y x

GA

20° TN

yx

GB

v2

v2

RxRy

Page 35: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

Sukladno tome može se napisati zakon kinetičke energije za cijeli sustav kao:

 

y x

GA

20° TN

yx

GB

v2

v2

RxRy

2

1

2 2

1 1

2

1 1

2 1 (1 2)

2 2 22 22 1

2 2 2 22 2 1 1

0,422

0

1 1

2 2

1 1 1 1( sin 20 cos20)

2 2 2 2

1( ) 0 sin 20 cos20

2

k k

si i i

i i ii i i s

s s

A B A B A A B

s s

s

A B A A Bs s

E E W

m v m v Fds

m v m v m v m v m g m g ds m gds

v m m s m g m g s m g s

2 0,4

0

22

22

1(40 30) 0,4 40 9,81sin 20 0,15 40 9,81 0,4cos20 30 9,81 0,4

2

35 (40 sin 20 0,15 40cos20 30)9,81 0,4

2,065 m/s

s

v

v

v

Page 36: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Ukoliko je potrebno izračunati silu u užetu S, tada je potrebno primijeniti II Newtonov zakon. Budući da su blokovi A i B vezani užetom konstantne dužine, ova kinematska veza (ograničenje) uvjetuju da se blokovi imaju isto ubrzanje aA=aB=a.

 • U odabranom koordinatnom sustavu xy, jednadžbe gibanja za blok A

iz čega slijedi

što daje

 

: sin 20

0 : cos 20 0

x A x A x

y A y

F m a S m g T m a

F m a N m g

y x S

GA

20° TN

v2

sin 20

cos 20A A

A

S m g T m a

N m g

sin 20 cos 20A AS m g m g m a

Page 37: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• U odabranom koordinatnom sustavu xy, prema jednadžbe gibanja za blok B glase:

• Jednadžbe:

 

imaju dvije nepoznanice i to S i a. Supstitucijom za a u drugoj jednadžbi dobiva se:

što uvrštavanjem u prvu

Jednadžbu daje:

 

 

0

:

x B x

y B y B B

F m a

F m a S m g m a

y x

S

GB

v2

sin 20 cos 20A A AS m g m g m a

B BS m g m a

B

B

S m ga

m

sin 20 cos 20

30 9,8140 9,81sin 20 0,15 40 9,81cos 20 40

3078,9 1,33( 294,3)

1,33 78,9 1,33 294,3

(1,33 1) 312,52

134,3 N

BA A A

B

S m gS m g m g m

m

SS

S S

S S

S

S

Page 38: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Izračunom sile u užetu, S ubrzanje je:

• Uz poznatu ubrzanje može se izračunati brzina u trenutku 0,4 s pomoću izraza:

 

 

y x

S

GB

v22134,3 30 9,815,33 m/s

30B

B

S m ga

m

0 0 5,33 0,4 2,13 m/sv v a t

Page 39: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

PRIMJER:

Opruga, nedeformirane dužine 60 cm, spaja dva bloka mase 2 kg i 3 kg. U stanju mirovanja opruga je stisnuta za 20 cm. Ukoliko se sustav otpusti iz stanja mirovanja, koja će biti brzina svakog bloka kada opruga postigne svoju normalnu duljinu. Opruga ima krutost od 12 N/m. Trenje podloge se zanemaruje.

Poznato: mA=2 kg, mB=3 kg, v1=0 m/s, l=0,6 m, x1=0,2 m, c=12 N/m.

 

 

mA mB

k

l-x1

l1 1

2 2

Page 40: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Pošto ista elastična sila opruge djeluje na oba bloka, ali u suprotnom smjeru, ukupni impuls na sustav obiju masa je jednak nuli.

•  Stoga, količina gibanja dviju masa sačuvana je po osi x (jednaka nuli), pa zakon o očuvanju količine gibanja glasi:

• Pošto blokovi u početku miruju, desni član u gornjem izrazu je jednak nuli, pa stoga slijedi izraz:

 

mBmA

x

y

vA vB

Fe Fe

G

NN

G

2 1

2 2

2 1( ) ( )i i i ii i

p p

m v m v

0

2 3 0

3

2

A A B B

A B

A B

m v m v

v v

v v

Page 41: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Ovdje je potrebno napomenuti da kada se piše izraz za zakon o očuvanju količine gibanja potrebno je smjer brzine odrediti u odnosu na isti referentni koordinatni sustav. Stoga, u ovom primjeru pretpostavlja se kako blok A giba u lijevo (negativan smjer), a blok B u desno (pozitivan smjer).

• Kako bi se odredila brzina blokova potrebno je koristiti dodatni izraz. Pošto se u problemu traži brzina, primjeniti će se metoda energije-rad (zakon kinetičke energije). U ovom slučaju rad opruge kod vraćanja u njenu nerastegnutu duljinu jednak je promjeni kinetičke energije obaju blokova (početna kinetička energija jednaka je nuli-mirovanje), tj.:

mBmA

x

y

vA vB

Fe Fe

G

NN

G

2 1 (1 2)

2 (1 2)

222

12

22 22

1

0

2

1 1( ) ( )2 2

k k

k

ie

i

A A B B e

E E W

E W

m vF dx

m v m v F dx

Page 42: IMPULS I KOLIČINA GIBANJA

• Ukupni rad elastične sile opruge je uz s2=x1=0,2 m:

 • Uvrštavanjem dobivenog ukupnog rada u izraz zakona kinetičke energije dobije se:

• Uvrštavanjem izraza za vA dobivenog iz zakona o održanju količine gibanja dobiva se:

 

Uz izračunatu brzinu vB bloka B, brzina vA bloka A je:

 

2

1

2 2 2 0,2

(1 2)01 1

2

(1 2)

2

12 0,20,24 J

2

s

ss

c sW F dx c sds

W

2 22

1 1( ) ( ) 0,242 2A A B Bm v m v

mA mB

k

l-x1

l1 1

2 2

2 2

2 2

2

1 1( ( 1,5 )) ( ) 0,242 21 1(( 1,5 ) ) 0,24 ( )2 21 10,5 0,24 (2 3) 2,262 2

3 m/s

A B B B

B B A B

B

B

m v m v

v v m m

v

v

3

1,5 (3) 4,5 m/s2A Bv v