Prędkość w ruchu jednostajnym – kinematyka – zadanie 17

Zadanie jest bardzo proste i dotyczy podstaw kinematyki i prędkości w ruchu jednostajnym:

Mechanika-kinematyka-ciąg dalszy podstaw

Pod sufitem wisi lampa i spod tej lampy startuje człowiek idąc w prawo ze stałą prędkością V.

kinematyka4 - Prędkość w ruchu jednostajnym - kinematyka - zadanie 17

Lampa się świeci, a więc człowiek rzuca cień. Idąc w prawo człowiek oddala się od lampy i cień będzie coraz dłuższy. Wysokość człowieka wynosi hc, a lampa wisi na wysokości H. I teraz jest pytanie:

OBLICZ PRĘDKOŚĆ KOŃCA CIENIA

1.Człowiek idzie ruchem jednostajnym czyli ze stałą prędkością, a więc można obliczyć jego drogę w czasie t:

s = V * t

kinematyka5 - Prędkość w ruchu jednostajnym - kinematyka - zadanie 17

I teraz można przez sc oznaczyć drogę końca cienia.

kinematyka6 - Prędkość w ruchu jednostajnym - kinematyka - zadanie 17

2. Teraz mamy same długości czyli jest to czysta geometria i widać że można użyć tutaj twierdzenie Talesa:

 

H-hc           H

———-  =  ——-

V*t              sc

 

Z tego już się obliczy drogę końca cienia:

sc = V*t*H / ( H-hc )

Jak już jest droga końca cienia, to można obliczyć prędkość końca cienia i jest to pochodna drogi po czasie:

Vc = = V*H / ( H-hc )

Prawda że proste?

Środek ciężkości figury płaskiej – mechanika – zadanie 16

Na początek powiedzmy sobie co to jest środek ciężkości:

Bierzemy do ręki kawałek płaskiej blachy albo deski i jeżeli podeprzemy gdzieś pod spodem tak, żeby to się nie przewróciło, to w tym miejscu gdzie podparliśmy będzie środek ciężkości.

srodekciezkosci1 - Środek ciężkości figury płaskiej - mechanika - zadanie 16

I tutaj mamy taki element o podanych wymiarach. Oto jak sobie poradzić z obliczeniem środka ciężkości:

1. Dzielimy go na kilka prostszych elementów

czyli w tym przypadku na przykład trójkąt (o podstawie 2*a i wysokości a) i półkole o promieniu a.

srodkiciezkosci2 - Środek ciężkości figury płaskiej - mechanika - zadanie 16

To wszystko dlatego, że znamy położenie środka ciężkości prostych elementów takich jak koło, prostokąt czy trójkąt.

 

2. Umieszczamy tak podzieloną figurę w układzie współrzędnych.

Tylko teraz powstaje pytanie jak to umieścić?

srodkiciezkosci3 - Środek ciężkości figury płaskiej - mechanika - zadanie 16

Najlepiej umieścić figurę nad osia x i jeżeli figura jest symetryczna, to oś symetrii powinna pokrywac się z osią ”y”.

3. Kolejny etap to działamy według prostego wzoru żeby obliczyć współrzędne środka ciężkości figury płaskiej

 

pole półkola * ś.c.półkola + pole trójkąta * ś.c.trójkąta

yc = ———————————————————————————————

całkowite pole figury

 

To teraz mały komentarz do powyższego wzoru:

Środek ciężkości na przykład półkola lub trójkąta określamy w tym układzie współrzędnych, w którym tę figurę wstawiliśmy. Wiemy że środek ciężkości trójkąta jest 1/3 wysokości od podstawy, ale w tym przypadku ma on współrzędną równą 2/3*a, ponieważ trójkąt stoi podstawą do góry.

Środek ciężkości półkola znajduje się 4*a/(3*) od podstawy czyli w naszym przypadku współrzędna wynosi (a + 4*a/(3*)) , ponieważ samo półkole jest w odległości a od osi ”x”.

I teraz wprowadzamy poszczególne wartości do wzoru na współrzędną ”yc” środka ciężkości figury:

 

1/2**a2 * (a + 4*a/(3*) + 1/2*2*a*a * 2/3*a

yc = ———————————————————————————–

1/2**a2 + 1/2*2*a*a

 

To teraz po kolei co wpisaliśmy do licznika:

– 1/2**a2 to pole półkola o promieniu a.

– (a + 4*a/(3* to współrzędna ”y” środka ciężkości półkola czyli odległość od osi ”x”

– 1/2*2*a*a  to pole trójkąta

– 2/3*a  to współrzędna ”y” środka ciężkości trójkąta

W mianowniku mamy sumaryczne pole figury.

Po uproszczeniu mamy coś takiego:

 

1/2**a + 4/3*a

yc = ——————————— = 1,1*a

1/2* + 1

srodkiciezkosci4 - Środek ciężkości figury płaskiej - mechanika - zadanie 16

I jest to współrzędna ”y” środka ciężkości figury.

Ponieważ figura ma oś symetrii pokrywającą się z osią ”y” , to współrzędna ”x” środka ciężkości wynosi

xc = 0

Wytrzymałość – ścinanie nitów – zadanie 15

To teraz może jakieś zadanie z wytrzymałości i ścinania nitów.scinanie1 - Wytrzymałość - ścinanie nitów - zadanie 15

Tak jak widać na powyższym obrazku, 2 blachy połączono przy pomocy 3 nitów. Do blach przyłożono 2 siły próbując to wszystko rozerwać.

Autor pyta się 

JAKIE BĘDZIE NAPRĘŻENIE ŚCINAJĄCE W NITACH 

podając jednocześnie wartość siły F oraz średnice nitów d.

scinanie2 - Wytrzymałość - ścinanie nitów - zadanie 15

Jeżeli siła F będzie zbyt duża, to może dojść do zniszczenia połączenia – nity zostaną ścięte

scinanie3 - Wytrzymałość - ścinanie nitów - zadanie 15

To co widać powyżej to po ścięciu nitów lewa blacha poleciała w lewo, a prawa blacha poleciała w prawo.

Istotna jest powierzchnia ścinana – w tym przypadku to są 3 powierzchnie ścinane oznaczone trzema niebieskimi kółkami. Przekrój ściętych nitów jest równy trzem powierzchniom kół o średnicy nitu:

At = 3 * 1/4 * * d2

Naprężenie ścinające wyraża się ilorazem siły F przez powierzchnie ścinane:

= F : At

Trójkierunkowy stan naprężenia sześcianu- wytrzymałość – zadanie 14

Wcześniej omawialiśmy podstawy uogólnionego prawa Hooke’a i trójkierunkowy stan naprężenia,

Wytrzymałość – prawo Hooke’a dla skręcania – podstawy

a teraz jakieś zadanie w tym temacie z sześcianem pomiędzy dwiema nieodkształcalnymi ścianami:

Między 2 nieodkształcalne ściany wciśnięto sześcian o boku a. Sześcian jest materiału który może się odkształcić. Różnica między szczeliną między ścianami o długością boku sześcianu wynosi d. Dany jest moduł Younga i stała Poissona dla materiału sześcianu.

Pytają się o nacisk jednostkowy sześcianu na obie ściany , po tym jak go wcisnęli między te ściany.

rozciaganie51 - Trójkierunkowy stan naprężenia sześcianu- wytrzymałość - zadanie 14

Sprawa jest prosta, ponieważ trzeba sześcian ścisnąć o d zeby go wsunąć
miedzy 2 ściany.
Warto sobie obrać układ współrzędnych i niech osie ”x” i ”y” będą leciały równolegle do ściany (jedna w pionie druga w poziomie), a oś ”z” będzie do ścian prostopadła.

Po pierwsze

Na początek piszemy 3 równania opisujące trójkierunkowy stan naprężenia sześcianu
εx = σx/E – ν*σy/E – ν*σz/E [1]
εy = σy/E – ν*σx/E – ν*σz/E [2]
εz = σz/E – ν*σx/E – ν*σy/E [3]
i tak jak wcześniej mówiliśmy te 3 równania ZAWSZE wystąpią w tego typu zadaniach.

I teraz jak spojrzymy na nie dokładniej to widać że mamy 6 niewiadomych:
– odkształcenia względne wzdłuż 3 osi – εx,  εy , εz
– naprężenia wzdłuż 3 osi – σx , σy , σz
I teraz to zaczyna być logiczne, że potrzebujemy 6 równań żeby policzyć 6 niewiadomych. A ponieważ już mamy 3 (te powyżej) , to musimy wymyśleć 3 dodatkowe.

I teraz będzie część druga

Wiadomo że wzdłuż osi równoległych do ściany naprężenie wynosi ZERO, ponieważ na 4 powierzchnie nie stykające się ze ścianami  nic nie naciska.
σx = σy = 0 [4] i [5]
Wiadomo że w kierunku ”z” sześcian został ściśnięty o d na długości jego boku czyli a. To teraz obliczymy odkształcenie względne w kierunku ”z”:
εz = d/a [6]

Po trzecie – to już czysta matematyka
Mamy teraz 6 równań i 6 niewiadomych i wstawimy równania [4] , [5] i [6] do równań [1] , [2] oraz [3]. I dalej pójdzie z górki:
εx = 0/E – ν*0/E – ν*σz/E [1]
εy = 0/E – ν*0/E – ν*σz/E [2]
d/a = σz/E – ν*0/E – ν*0/E [3]
Po uproszczeniu to wygląda trochę lepiej:
εx =  – ν*σz/E [1]
εy = – ν*σz/E [2]
d/a = σz/E [3]

Z równania [3] obliczymy naprężenie w kierunku ”z” czyli nacisk jednostkowy na ściany:
σz = E * d/a

i o to pytał się autor zadania.
Dodatkowo z równań [1] i [2] obliczymy odkształcenia względne w kierunkach równoległych do ściany:
εy = εx = -ν*σz/E = -ν * ( E * d/a ) / E =  -ν * ( d/a )

Prawda że proste?

Przyspieszenie kątowe – kinematyka – podstawy

Dzisiaj będzie krótko i treściwie, ale sprawa jest istotna – przyspieszenie kątowe:

Przy okazji omawiania podstaw pisaliśmy o przyspieszeniu liniowym  które oznacza zmianę prędkości w czasie i dotyczy ruchu postępowego.

Mechanika-kinematyka-ciąg dalszy podstaw

A jak to wygląda w przypadku ruchu obrotowego?

 

Po pierwsze

Położeniu w ruchu obrotowym odpowiada KĄT (wyrażony w radianach [rad]).

 

Po drugie

Prędkości w ruchu obrotowym odpowiada PRĘDKOŚĆ KĄTOWA (wyrażona w radianach na sekundę [rad/s]) i oznacza zmianę położenia kątowego w czasie:

=  / t

gdzie:

Δ∝ – zmiana położenia kątowego czegoś tam na przykład wskazówki zegara

Δt – czas w którym ta zmiana położenia nastąpiła

 

Przyspieszeniu w ruchu obrotowym odpowiada PRZYSPIESZENIE KĄTOWE (wyrażone w radianach na sekundę do kwadratu [rad/s2] i oznacza zmianę prędkości kątowej w czasie:

=  / t

gdzie:

Δω – zmiana prędkości kątowej czegoś co się obraca – na przykład wskazówki zegara

Δt – czas w którym ta zmiana prędkości kątowej nastąpiła