web analytics

Ως προς ποια σημεία εφαρμόζεται ο δεύτερος νόμος;

Ένας λεπτός ομογενής δίσκος κυλίεται (χωρίς να ολισθαίνει).

Ποιος είναι ο γεωμετρικός τόπος των σημείων στα οποία εφαρμόζεται χωρίς λάθος ο θεμελιώδης νόμος για την στροφική κίνηση;

Συνέχεια.

Loading

Subscribe
Ειδοποίηση για
38 Σχόλια
Διονύσης Μάργαρης
Αρχισυντάκτης
07/05/2018 11:58 ΠΜ

Καλημέρα Γιάννη, καλημέρα Στάθη.

Διάβασα τα χθεσινά σας σχόλια και παρότι με βρίσκουν σύμφωνο οι θέσεις του Γιάννη, θα ήθελα να διατυπώσω (διευκρινιστικά) μερικά πράγματα.

Όταν μιλάμε για χρήση του 2ου νόμου, προφανώς μας ενδιαφέρει ο υπολογισμός της γωνιακής επιτάχυνσης. Γωνιακής επιτάχυνσης ως προς ποιο άξονα περιστροφής;

Πρέπει να είναι σαφές ότι όταν μιλάμε για γωνιακή ταχύτητα ή γωνιακή επιτάχυνση ενός στερεού, αναφερόμαστε στην αλλαγή του προσανατολισμού του στερεού και αυτή η αλλαγή, δεν εξαρτάται από κάποιον άξονα.

Εμείς μπορούμε να θεωρούμε ότι ο άξονας περιστροφής είναι ο Α ή ο Β, αλλά αυτές είναι δικές μας θεωρήσεις.

Για παράδειγμα στην κύλιση που δίνει παραπάνω ο Γιάννης, μπορούμε να θεωρήσουμε την κίνηση ως σύνθετη όπου η περιστροφή γίνεται ως προς άξονα που περνά από το κέντρο μάζας. Μπορούμε όμως να θεωρήσουμε την κίνηση (μόνο) στροφική ως προς τον στιγμιαίο άξονα περιστροφής.

Με την ίδια λογική μπορούμε να θεωρήσουμε την περιστροφή ως προς οποιοδήποτε νοητό άξονα, κάθετο στο επίπεδο της τροχιάς. Σταθερό άξονα ή σε κινούμενο σημείο του δίσκου.

Αν τώρα μιλάμε για έναν τέτοιο νοητό άξονα που περνά από ένα σημείο Χ, τότε ο 2ος νόμος (αν ισχύει) θα πρέπει να έχει τη μορφή:

ΣτΧΧ∙αγων

Όπου ΣτΧ οι ροπές των δυνάμεων που βλέπει ο ακίνητος παρατηρητής (εμείς) ως προς το σημείο Χ και ΙΧ η ροπή αδράνειας του στερεού ως προς οριζόντια άξονα που περνά από το σημείο Χ και η οποία θα προκύπτει με εφαρμογή του Steiner IX=Icm+md2, όπου d η απόσταση του σημείου Χ από το κέντρο μάζας.

Αν δουλέψουμε είτε με εφαρμογή του γενικευμένου νόμου  με τη βοήθεια της στροφορμής, είτε χρησιμοποιώντας μη αδρανειακό παρατηρητή και σχεδιάζοντας μη αδρανειακές δυνάμεις, προφανώς μπορούμε να επιλύσουμε το πρόβλημα, αλλά τότε δεν κάνουμε μια απλή εφαρμογή του 2ου νόμου.

Εξάλλου, αν με κάποιες μαθηματικές τροποποιήσεις, μπορεί σε κάποιον τελικό τύπο να εμφανιστεί μια εξίσωση που να παίρνει την μορφή Στ=Ι΄αγων, όπου αυτό το Ι΄ δεν θα είναι μια ποσότητα που να είναι η «γνωστή» μας ροπή αδράνειας ΙΧ δεν σημαίνει ότι αυτή η σχέση είναι ο 2ος νόμος για τη στροφική κίνηση.

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
07/05/2018 3:48 ΜΜ

Διονύση καλησπέρα. 

Και συμφωνώ αλλά και διαφωνώ μαζί σου (ίσως).

Πρώτα απ' όλα ο 2ος νόμος ισχύει σε κάθε κίνηση στερεού και γράφεται 

ΣFi = Σ (mi ai) = M acm  + Σ (mi gi)  (1),

 όπου υπονοείται άθροισμα ως προς κάθε υλικό σημείο i του στερεού. Η ποσότητα gi περιέχει όρους όπως η αναλλοίωτη γωνιακή επιτάχυνση και η επίσης αναλλοίωτη γωνιακή ταχύτητα. Στην προσπάθεια να αντιμετωπίσουμε την κίνηση ως μία καθαρά περιστροφική και μία καθαρά μεταφορική, ορίζουμε το εξωτερικό γινόμενο 

Στ = Σ (ri × mi gi)   (2),

ως την συνισταμένη ροπή στο στερεό. Τότε υπό τις κατάλληλες προϋποθέσεις (πχ άξονας περιστροφής ένας σταθερός άξονας συμμετρίας ο οποίος διέρχεται από το cm) προκύπτει η μορφή 

Στ = Ιμν αγν  (3),

όπου Ιμν οι συνιστώσες της ροπής αδράνειας και αγν η ν συνιστώσα της γωνιακής επιτάχυνσης. Στις περιπτώσεις αυτές η (3) δίνει την αγ. 

Θέλω να πω ότι η σχέση (3) είναι μία ειδική περίπτωση και όχι η γενική έκφραση του 2ου νόμου στην περιστροφή, η οποία είναι η (2).

Όπως κατάλαβα το ερώτημα του Γιάννη είναι σε ποια σημεία του δίσκου μπορώ να γράψω την έκφραση (3). Έδειξε ότι είναι εφικτό στα σημεία του μικρού κύκλου (εκεί με μπερδεύει λίγο η χρήση της αΕ στο σημείο Σ…). Αν με αυτό εννοούμε ότι μόνον στα σημεία αυτά ισχύει γενικά ο 2ος νόμος, διαφωνώ. Αν εννοούμε η έκφραση (3) του 2ου νόμου συμφωνώ. 

Αν τώρα υποθέσουμε ένα τυχαίο σημείο Χ εκτός του κύκλου, τότε αυτό θα έχει μία επιτάχυνση αΧ, η οποία θα εξαρτάται από την αγ. Εκεί απλά αναρωτήθηκα αν η έκφραση (3) ισχύει ακόμη αν τροποποιήσουμε κατάλληλα την ροπή αδράνειας.

 

 

Διονύσης Μάργαρης
Αρχισυντάκτης
07/05/2018 5:19 ΜΜ

Καλησπέρα Στάθη.

Μάλλον η "διαφωνία" έχει να κάνει με τους συμβολισμούς και στο τι σκέφτεται ο καθένας μας όταν μιλάει για 2ο νόμο.

Παραπάνω αναφέρθηκα  στο γενικευμένο νόμο σε αντιπαραβολή με το 2ο νόμο, με βάση το τι διδάσκουμε στα παιδιά και το τι έχει το βιβλίο. Νομίζω στην ίδια βάση έβαλε το θέμα και ο Γιάννης.

Νομίζω ότι εσύ ξεκινάς από άλλη βάση γράφοντας την εξίσωση (1). 

Αλήθεια τι ακριβώς ποσότητα είναι το gi στην παραπάνω εξίσωση;

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 8:59 ΠΜ

Γιάννη και Διονύση καλημέρα.

Διονύση ένα αρχείο για τον 2ο νόμο και το gi αλλά και το παράδειγμά του Γιάννη, εδώ.

Γιάννη όπως θα δεις συμφωνώ ότι η σχέση Στ = Ι.αγ δεν ισχύει πάντα. Καταλήγω σε παρόμοιο αποτέλεσμα για τον μικρό κύκλο του παραδείγματός σου, με διαφορετικό τρόπο (δεν καταλαβαίνω πώς εισέρχεται στον υπολογισμό σου η αΕ στο σημείο Σ). 

Απολογούμαι εκ των πρωτέρων, αναγκαστικά τα μαθηματικά είναι λίγο βαριά προς το τέλος στο παραπάνω αρχείο…

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 11:46 ΠΜ

Γράφω από το κινητό, χωρίς την δυνατότητα σχημάτων.

Για ένα τυχαίο σημείο Χ πάνω στην ΚΕ, θέσε την ροπή αδράνειας

Ιχ = 0.5 m (R + 2d) R,

όπου d = KX, και εφάρμοσε τους νόμους για την μεταφορά και την περιστροφή.

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 11:51 ΠΜ

Γιάννη με μπλέκει λίγο η αΕ. Εγώ ως ακίνητος βλέπω μία κεντρομόλο, μία επιτρόχιο και την επιτάχυνση του cm. Γιατί να αναφερθώ ειδικά το σημείο Ε; 

Διονύσης Μάργαρης
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 12:02 ΜΜ

Καλημέρα Στάθη.

Είδα το αρχείο και σε ευχαριστώ για την απάντησή σου στο ερώτημά μου για το gi. 

Επειδή πρόσφατα είχα ασχοληθεί εδώ, με αντίστοιχο θέμα, (απλά για επίπεδο στερεό δεν υπάρχει κλόνιση, με λίγο ελαφρύτερα μαθηματικά), ρώτησα για το gi επειδή υποψιαζόμουν ότι δεν αφορούσε μόνο γωνιακές και επιτρόχιες επιταχύνσεις, αλλά και την κεντρομόλο…

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 12:18 ΜΜ

Ακριβώς Διονύση, το gi προκύπτει από την δική σου σχέση (3) χωρίς την κλόνιση. 

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
08/05/2018 12:23 ΜΜ

Γιάννη συμφωνώ για το σημείο Ε. Δεν καταλαβαίνω γιατί να μπλέξω την αΕ στο σημείο Σ. Είναι το Ό του δικού μου δευτέρου σχήματος. Οι επιταχύνσεις φαίνονται εκεί για το σημείο Σ, εκτός και αν διαφωνείς με το σχήμα αυτό.

Αράβας Γεώργιος
08/05/2018 1:11 ΜΜ

Για τον λόγο αυτόν ζήτησα απο τον Διονύση να κάνει "κομψή" απόδειξη της σχέσεων ταχύτητας και επιταχύνσεων.

Δύο όμορφα βίντεο με την εύρεση του στιγμιαίου πόλου περιστροφής αλλά και γενικής κίνησης στερεού .