David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1



Relaterede dokumenter
Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Studieretningsopgave

FY01 Obligatorisk laboratorieøvelse. Matematisk Pendul. Jacob Christiansen Afleveringsdato: 10. april 2003 Morten Olesen Andreas Lyder

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Svingninger og bølger

Theory Danish (Denmark)

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Danmarks Tekniske Universitet

Lærerorientering til opgaver pa Bakken og i Dyrehaven:

Arbejdet på kuglens massemidtpunkt, langs x-aksen, er lig med den resulterende kraft gange strækningen:

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

RKS Yanis E. Bouras 21. december 2010

Figur 1: Kraftpåvirkning af vingeprol

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

Danmarks Tekniske Universitet

Danmarks Tekniske Universitet

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Anvendelse af matematik til konkrete beregninger

Rapport uge 48: Skråplan

En sumformel eller to - om interferens

Danmarks Tekniske Universitet

Pendulbevægelse. Måling af svingningstid: Jacob Nielsen 1

GUX. Matematik Niveau B. Prøveform b

Dæmpet harmonisk oscillator

PETERTROELSENTEKNISKGYMNASI UMHADERSLEVHTXPETERTROELSE NTEKNISKGYMNASIUMHADERSLEV HTXPETERTROELSENTEKNISKGYMN ASIUMHADERSLEVHTXPETERTROEL

Harmonisk oscillator. Dan Elmkvist Albrechtsen, Edin Ikanović, Joachim Mortensen Hold 4, gruppe n + 1, n {3}, uge 46-47

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

Udledning af Keplers love

Jævn cirkelbevægelse udført med udstyr fra Vernier

Skriftlig eksamen BioMatI (MM503)

1 Løsningsforslag til årsprøve 2009

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Fysik 2, Foreslåede løsninger til prøveeksamenssæt, januar 2007

Bevægelse i to dimensioner

Kaotisk kuglebevægelse En dynamisk analyse

FYSIK RAPPORT. Fysiske Kræfter. Tim, Emil, Lasse & Kim

Bevægelse op ad skråplan med ultralydssonde.

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 27. maj 2014 kl

Opgaveformuleringer til studieprojekt - Matematik og andet/andre fag:

Institut for Matematiske Fag Matematisk Modellering 1 UGESEDDEL 6

GUX. Matematik. A-Niveau. Fredag den 31. maj Kl Prøveform a GUX191 - MAA

MM501 forelæsningsslides

Matematik A Vejledende opgaver 5 timers prøven

Oscillator. Af: Alexander Rosenkilde Alexander Bork Christian Jensen

Skråplan. Dan Elmkvist Albrechtsen, Edin Ikanović, Joachim Mortensen. 8. januar Hold 4, gruppe n + 1, n {3}, uge 50-51

Nb: der kan komme mindre justeringer af denne plan.

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

FORSØGSVEJLEDNING. Kasteparablen

Danmarks Tekniske Universitet

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 11. august 2015 kl

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012

Undervisningsbeskrivelse

Eksamen i fysik 2016

2. ordens differentialligninger. Svingninger.

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 31. maj 2016 kl

Faldmaskine. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 23. november 2008

HØJERE FORBEREDELSESEKSAMEN DECEMBER 2008 MATEMATIK B-NIVEAU. Fredag den 12. december Kl HFE083-MAB

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

6. Regression. Hayati Balo,AAMS. 1. Nils Victor-Jensen, Matematik for adgangskursus, B-niveau 1

Matematiske modeller Forsøg 1

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 1 Institution: Projekt Trigonometri

INERTIMOMENT for stive legemer

Det er ikke personligt

DET GYLDNE TÅRN. Men i Danmark er vi tøsedrenge sammenlignet med udlandet. Her er vores bud på en Top 6 (2010) over verdens vildeste forlystelser:

Projektopgave 1. Navn: Jonas Pedersen Klasse: 3.4 Skole: Roskilde Tekniske Gymnasium Dato: 5/ Vejleder: Jørn Christian Bendtsen Fag: Matematik

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Fredag d. 2. juni 2017 kl

7 QNL 2PYHQGWSURSRUWLRQDOLWHW +27I\VLN. 1 Intro I hvilket af de to glas er der mest plads til vand?: Hvorfor?:

Koblede svingninger. Thomas Dan Nielsen Troels Færgen-Bakmar Mads Sørensen juni 2005

Supplerende. Fysik A. Gnidningskræfter, differentialligninger, vektorer og usikkerhedsberegninger. Mike Auerbach

Jordskælvs svingninger i bygninger.

Danmarks Tekniske Universitet

MM501 forelæsningsslides

Den Naturvidenskabelige Bacheloreksamen Københavns Universitet. Fysik september 2006

Svingninger & analogier

Enkelt og dobbeltspalte

Undervisningsbeskrivelse

Kapitel 7. Hvad er matematik? 1 ISBN Øvelse Øvelse a = 3 0, = 8 2,6 3 = 25 3, , =

Rækkeudvikling - Inertialsystem. John V Petersen

Øvelser 10. KlasseCenter Vesthimmerland Kaj Mikkelsen

Vinklens påvirkning på skuddet af Claus Kjeldsen

Deformation af stålbjælker

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

GUX. Matematik. A-Niveau. Torsdag den 31. maj Kl Prøveform a GUX181 - MAA

Matematiske hjælpemidler. Koordinater. 2.1 De mange bredder.

Aalborg Universitet - Adgangskursus. Eksamensopgaver. Matematik B til A

Kasteparabler i din idræt øvelse 1

Matematikprojekt Belysning

Øvelser 10. KlasseCenter Vesthimmerland Kaj Mikkelsen

Matematik A. Studentereksamen. Skriftlig prøve (5 timer) Fredag den. december kl... STX MAA LQGG

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Lineære modeller. Taxakørsel: Et taxa selskab tager 15 kr. pr. km man kører i deres taxa. Hvis vi kører 2 km i taxaen koster turen altså

Introduktion til Laplace transformen (Noter skrevet af Nikolaj Hess-Nielsen sidst revideret marts 2013)

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Torsdag d. 7. august 2014 kl

Transkript:

1 Pendul David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1 1.1 Hvad er et pendul? En matematiker og en ingeniør ser tit ens på mange ting, men ofte er der forskelle mellem de to verdner, dette gælder blandt andet for pendulet. Det simple pendul, er en matematisk forsimplet måde at regne på det virkelige/fysiske pendul. det simple pendul er al massen samlet i ét uendeligt lille punkt, hvilket naturligvis ikke er tilfældet for virkelighedens pendul. forsøg 1 skal det undersøges hvordan svingningstiden T varierer for den simple beregningsmodel, i forhold til det fysiske pendul. For at kunne bestemme den teoretiske svingningstid for et frit pendul gælder følgende formel for svingningstiden: T = 2π ω (1.1) hvor ω er vinkelhastigheden. Figur 1.1: Påvirkninger på et simpelt pendul 1.2 Vinkelhastigheden for et simpelt pendul Figur 1.1 viser et frit-legeme-diagram af det simple pendul, dvs. at den situation man ønsker at beskrive indtegnes med de kendte kræfter. Det kan ses, at de kræfter som påvirker det ophængte pendul, er snorkraften (på engelsk Tension) T, og tyngdekraften F = mg. Vær opmærksom på, at y-aksen er parallel med snorkraften. Svingningstiden kan så bestemmes ved at bruge Newtons 2. lov for bevægelse: Fx = ma (1.2)

2 Kapitel 1 / Pendul her betyder F x summen af alle påvirkende kræfter i x-aksens retning, og vinkelaccelerationen er a = L θ. (1.3) Læg mærke til, at der ikke sker nogen acceleration i y-retningen og at der her heller ingen kraftpåvirkning er. Tyngdekraften skrives som: F = mg (1.4) med g værende tyngdeaccelerationen. Ved at kombinere ligning (1.3), (1.4) og figur 1.1 på forrige side fås følgende: ma = F x = mg sin θ m Lθ = mg sin(θ) for små udsving gælder at sin(θ) θ m Lθ = mgθ Lθ = gθ θ = gθ L (1.5) Ligning (1.5) er en 2. ordens differentialligning med løsningen: ω 2 = g L g ω = L (1.6) her indsat som led i svingningstiden som vi beskrev i ligning (1.1) på forrige side til T = 2π 1 g L L = 2π g (1.7) 1.3 Det fysiske pendul For at kunne regne på opførslen for et fysisk pendul, skal konceptet masseinertimoment, skrevet som, indføres. Summen af momenter M udtrykt ved vinkelaccelerationen α bliver nu: M = α (1.8)

1.4 Svingningstiden for det fysiske pendul 3 af 10 Et masseinertimoment for et pendul skal findes omkring omdrejningsaksen (der hvor pendulet er fastgjort) og afhænger af følgende parametre: L: Længden fra omdrejningspunkt til pendul m: massen af pendulet og pendulets facon/dimension, fx firkantet, cylinder eller lign.. Masseinertimomentet kan være svært at bestemme, og derfor kan der med fordel slås op i tabeller for at finde de rigtige formler for forskellige former. Hvis pendulet er en cylinder gør følgende formel sig gældende: = 1 4 mr2 + 1 3 mh2 + ml 2 (1.9) hvor m er cyinderloddets masse, h er cylinderens højde og L er stadig afstanden fra omdrejningspunktet til monteringspunktet på toppen af pendulet. Bemærk snoren er i denne beregningsmodel ikke medtaget, dette kan gøres fordi der anvendes en, i forhold til loddets masse, let sytråd i forsøget. En kraftigere snor vil give en mere kompliceret formel. 1.4 Svingningstiden for det fysiske pendul Som for det simple pendul opstilles bevægelsesligningen for pendulet, vinkelaccelerationen kaldes stadig for θ. Med ligning (1.8) på forrige side kan vinkelhastigheden ω bestemmes. θ = mgl sin(θ) for små udsving af θ gælder sin(0) θ θ = mglθ hvilket kan reduceres ned til 0 = mgl θ + θ (1.10) ω 2 = mgl mlg θ + θ ω = (1.11) Når ω er kendt, betyder det, at vi igen kan bruge formel ligning (1.1) på side 1 til at regne svingningstiden ud som. 1 T = 2π mgl ) T = wπ mgl (1.12)

4 Kapitel 1 / Pendul Figur 1.2: Vindmodstanden R på pendulet 1.5 Vindmodstanden på et simpelt pendul På figur 1.2 er vindmodstanden tegnet som påvirkning på det matematiske pendul. Vindmodstandens kraftpåvirkning virker altid modsatrettet af tyngdekraften. For at regne vindmodstanden på det simple pendul, antages at vindmodstanden stiger proportionalt med hastigheden. At vi kan gøre som netop beskrevet betyder at vi kan udtrykke kraften R som: R = kl d θ d t R = klθ (1.13) hvor k er en konstant. Lige som for det simple pendul tidligere opstilles bevægelsesligningen for systemet: Se fx Dynamics af J.L. Meriam og L.G. Kraige

1.5 Vindmodstanden på et simpelt pendul 5 af 10 Fx = ma R mg sin θ = mlθ klθ mg sin θ = mlθ θ ml + klθ mgθ = 0 θ + θ k m θ g L = 0 (1.14) Ligning (1.14) har den fulde løsning hvori y(t) = A 0 exp ct sin(ωt + φ) (1.15) A 0 : er amplituden for den første svingning hvor pendulet slippes c: er en konstantφ: er faseforskydningsvinklen Det ses altså at amplituden for pendulsvingningerne aftager eksponentielt under påvirkning af modstanden fra luften.

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 7 2 Forsøgsvejledning 1 2.1 Formål Formålet med dette forsøg er først at bestemme svingningstiden for et pendul og herefter sammenligne svingningstider for et simpelt og et fysisk pendul. 2.2 Apparatur for at kunne udføre forsøget, skal følgende materialer anvendes: Pendul Lod i metal Videokamera + stativ Excel el. lign. Videoafspiller med tidsvisning til 0.01 sek. nøjagtighed. Medbring selv en computer med programmer til databehandling, det giver mulighed for at få videoerne med hjem, og mulighed for at gense data om nødvendigt. Følgende program er gratis og opfylder kravet om tidsvisning http://www.avs4you.com/da/avs, men der er helt sikkert andre alternativer, der er lige så gode. 2.3 Fremgangsmåde ndstil pendul og kamera så pendul er i fokus og afstanden mellem pendul og kamera er acceptabel. ndstil lod til den ønskede starthøjde Start kameraet Sving pendul Optag mindst 5 komplette svingninger Analyser data Gentag for forskellige højder.

8 Kapitel 2 / Forsøgsvejledning 1 2.4 Databehandling Via videooptagelserne bestemmes svingningstiden til de forskellige længder. Først sammenlignes den målte svingningstid med den teoretiske. For et simpelt pendul er denne givet ved g ω = L (2.1) Da forsøget ikke er lavet med et simpelt pendul, ses også på forskellen mellem svingningstiderne for et simpelt pendul og et fysisk pendul. Herudfra vurderes det, om den simple beregningsmetoder er acceptabel at anvende beregningsmodellen for et matematisk pendul. Svingningstiden for et fysisk pendul er givet ved T = 2 Π mgl Start altså med at bestemme masseinertimomentet for loddet. Husk at masseinertimomentet også er afhængigt af snorlængden og derfor også skal ændres for hver måling. Der bør udføres minimum 5 forsøg.

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 9 3 Forsøgsvejledning 2 3.1 Formål Formålet med dette forsøg er at bekræfte, at amplituden for pendulets svingninger aftager eksponentielt, når det påvirkes af vindmodstand. 3.2 Apperatur For at udføre forsøges skal følgende anvendes: Pendul Lod i kork Videokamera + stativ Excel eller ligende Et videoafspilnings program det kan vise tiden ned til to decimaler Baggrund til pendul med 1x1cm firkanter 3.3 Fremgangsmåde 1. Sæt baggrunden op bag pendulet og sørg for, at snoren er ud for en af de lodrette streger på baggrunden 2. Opstil kamera og stativ 3. Start kamera 4. Sving pendul - hold det stille i udgangsposistionen, da denne placering skal benyttes senere 5. Analyser data 3.4 Databehandling Ved hjælp af videooptagelsen og baggrunden kan pendulets placering ved hver svingning bestemmes. Først aflæses højden på begyndelsessvingningen denne har tiden: t = 0. For de næste 5 svingninger(som minimum) aflæs da tid og amplitude.

10 Kapitel 3 / Forsøgsvejledning 2 husk det er tiden relativt til t = 0 ved begyndelsessvingningen og ikke t fra videoafspilleren. Herefter plottes data og det skulle gerne ses, at amplituderne aftager eksponentielt.