Η λύση μιας διαφορικής 2ης τάξης.

 

Η διαφορική εξίσωση στο κύκλωμα LC, όπως αυτό της ανάρτησης «Λίγα ακόμη για την φόρτιση πυκνωτή», είναι:

Η εξίσωση αυτή γράφεται ισοδύναμα:

Η εξίσωση αυτή είναι 2ης  τάξης, μη ομογενής, αφού έχει μη μηδενικό 2ο μέλος.

Λύνουμε την αντίστοιχη ομογενή…

Διαβάστε τη συνέχεια:

Η λύση μιας διαφορικής 2ης τάξης.

Η λύση μιας διαφορικής 2ης τάξης.

Η λύση μιας διαφορικής 2ης τάξης.

Δύο χρονοκυκλώματα μαζί!

  

Για το διπλανό κύκλωμα δίνονται Ε=20V, C=5μF, ενώ ο διακόπτης δ είναι ανοικτός. Κλείνουμε το διακόπτη για t=0 και παρατηρούμε ότι το αμπερόμετρο δείχνει σταθερή ένδειξη Ι=0,2Α.

i)  Να σχεδιάστε δύο ποιοτικά διαγράμματα για τις εντάσεις των ρευμάτων που διαρρέουν τις δυο αντιστάσεις, σε συνάρτηση με το χρόνο.

ii) Να υπολογίσετε τις αντιστάσεις R₁ και R₂.

iii) Σε μια στιγμή t₁ ο πυκνωτής φέρει φορτίο q₁=40μC. Για τη στιγμή αυτή:

α) Να βρεθούν οι εντάσεις των ρευμάτων που  διαρρέουν τους κλάδους του κυκλώματος.

β) Πόση είναι η ΗΕΔ από αυτεπαγωγή που αναπτύσσεται στο ιδανικό πηνίο;

iv) Αν ο χρόνος φόρτισης του πυκνωτή είναι (πρακτικά) ίσος με 5R₁C, ενώ ο χρόνος σταθεροποίησης του ρεύματος στο πηνίο, είναι (πρακτικά) ίσος με 5 L/R₂, να υπολογιστεί ο ρυθμός μεταβολής της έντασης του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο τη στιγμή t₁.

Απάντηση:

ή

Δύο χρονοκυκλώματα μαζί!

Δύο χρονοκυκλώματα μαζί!

files  και  yl2

Δυνάμεις και Ενέργειες…

 Μια ακόμη προσπάθεια ανάλυσης!

Σε μια πρόσφατη τοποθέτηση σε διπλανή ανάρτηση, μετέφερα κείμενο από τη «Γενική Φυσική Ι» του Καθηγητή κ. Χανιά πάνω στις συντηρητικές δυνάμεις, όπου αναλυτικά περιγράφει πώς καταλήγουμε στην δυναμική ενέργεια.

Ας το δούμε:

Ας κάνουμε τώρα μια προσπάθεια να ξεδιαλύνουμε το τι ακριβώς μας λέει:

1)  Πρέπει να μιλάμε πάντα για ένα σύστημα με δύο ή περισσότερα σώματα. Όχι για ένα μεμονωμένο σώμα. Αν έχεις μόνο ένα σώμα, τότε αυτό, το μόνο που μπορεί να κάνει είναι να κινείται και να έχει κινητική ενέργεια.

2) Σε ένα τέτοιο κλειστό σύστημα (κλειστό σημαίνει ότι το έχουμε απομονώσει από όλο το υπόλοιπο σύμπαν), μπορούμε να εστιάσουμε τώρα σε ένα σώμα Α. Τότε το Α μπορεί να αλληλεπιδρά δεχόμενο μια δύναμη F1, από το υπόλοιπο σύστημα Σ1. Προσοχή το Σ1 το έχουμε κλείσει σε αδιαφανές κιβώτιο κίτρινου χρώματος στο σχήμα.

Η συνέχεια...  σε αρχείο pdf   ή και αρχείο Word .

Ο νόμος Biot-Savart και εφαρμογές του

Ας ακολουθήσουμε μια πορεία αναλογίας για να καταλήξουμε στον γνωστό νόμο Biot-Savart ξεκινώντας από τον γνωστό μας νόμο Coulomb.  Τι ακριβώς μας λέει ο νόμος αυτός;

 Αν στα σημεία Α και Γ έχουμε δύο ακίνητα σημειακά ηλεκτρικά φορτία Q₁ και Q₂, έστω θετικά. Τότε το φορτίο Q₂ απωθείται με δύναμη μέτρου...

Διαβάστε τη συνέχεια...

ή

 Ο νόμος Biot-Savart και εφαρμογές του

Μια χορδή με σταθερό το ένα της άκρο

Το πρόβλημα της δημιουργίας στάσιμου κύματος, πάνω σε μια χορδή με πακτωμένο το ένα της άκρο, όταν το άλλο άκρο τίθεται σε εγκάρσια ταλάντωση, είναι ίσως ένα από τα θέματα που μας έχουν απασχολήσει περισσότερο τα χρόνια ύπαρξης του δικτύου μας. Με πάμπολλες μελέτες αλλά κυρίως συζητήσεις και αντεγκλήσεις. Δημιουργείται πάντα στάσιμο κύμα ή όχι; Είναι σωστές οι εξισώσεις του σχολικού ή χρειάζονται τροποποιήσεις; Τι δημιουργείται στη θέση της πηγής; Δεσμός ή κοιλία; Ή κάτι άλλο;

Ο Γιάννης Κυριακόπουλος έχει επιμείνει (μέχρι και που ο ίδιος μίλησε για εμμονή…), σε πάμπολλες αφορμές, ότι έχουμε πάντα δημιουργία στάσιμου κύματος και μάλιστα το πλάτος του στάσιμου δεν έχει να κάνει καθόλου με αυτό που  διδάσκουμε, δηλαδή ότι στις κοιλίες έχουμε πλάτος 2 Α, όπου Α το πλάτος της πηγής.

Έτσι για παράδειγμα μπορείτε να  διαβάσετε εδώ τις θέσεις του και να δείτε εικόνες με στάσιμα, που τον επιβεβαιώνουν.

Προβλήματα στην διδασκαλία και κατανόηση των στασίμων κυμάτων.

Το προηγούμενο καλοκαίρι, ξεκίνησα μια σειρά άρθρων με πρώτο το «Ενέργεια – ορμή κύματος» στηριζόμενος στις παραδόσεις του Κωνσταντίνου Ευταξία στο ΕΚΠΑ. Ας πιάσουμε λοιπόν το νήμα από εκεί που το αφήσαμε, κάνοντας μια προσπάθεια να ξεδιαλύνουμε κάποια σημεία στα στάσιμα κύματα, μιλώντας όσο γίνεται, λιγότερο για μαθηματικά και περισσότερο  για Φυσική. Ας δούμε λοιπόν κάποιες όψεις, καλοκαίρι έχουμε, μπορούμε να …ασχοληθούμε λίγο!

Κύμα και στάσιμο κύμα σε χορδή. Ποια η διαφορική εξίσωση;

Αναφερόμενοι στα κύματα σε χορδή, συναντάμε τη διαφορική εξίσωση:

Και συνήθως το μυαλό μας την συνδέει με το τρέχον κύμα σε χορδή, πράγμα όχι σωστό. Η παραπάνω εξίσωση αναφέρεται σε ένα στοιχειώδες τμήμα της χορδής, συνδέοντας την καμπυλότητα του τμήματος, με την εγκάρσια επιτάχυνση που αποκτά. Η σωστή γραφή της είναι:

Όπου στην περίπτωση του τρέχοντος κύματος η ποσότητα υ=√(Τ/μ)  μας δίνει την (φασική) ταχύτητα διάδοσης της διαταραχής (ταχύτητα κύματος). Σε κάθε άλλη περίπτωση μένει μια ποσότητα εξαρτώμενη από την αδράνεια και την ελαστικότητα της χορδής, χωρίς να «λειτουργεί» ως ταχύτητα ενός ανύπαρκτου κύματος.

Αλλά τότε η ίδια διαφορική εξίσωση περιγράφει και το τρέχον κύμα σε χορδή (υποτίθεται απείρου μήκους) και το στάσιμο κύμα ή την ταλάντωση μιας χορδής με σταθερά ή μη άκρα.

Δεν υπάρχει δηλαδή κάποια  διαφορά (στο 2^ο  νόμο του Νεύτωνα…), για την επιτάχυνση ενός τμήματος χορδής, ανάλογα με το τι ακριβώς συμβαίνει στη χορδή ή πόσο είναι το μήκος της…

Διαβάστε τη συνέχεια...

ή

 Μια χορδή με σταθερό το ένα της άκρο

Παράλληλες δυνάμεις, η άνωση και η πλεύση.

Ας δούμε τώρα αν μια ισορροπία είναι ευσταθής ή όχι.

Παράδειγμα 5^ο:

Στην επιφάνεια ενός υγρού ισορροπεί μια ανομοιογενής σφαίρα κέντρου μάζας C, μισοβυθυσμένη και έστω Κ, το κέντρο άνωσης. Η παραπάνω ισορροπία είναι ευσταθής, ασταθής ή αδιάφορη;

Απάντηση:

Και στις τρεις παραπάνω περιπτώσεις η σφαίρα ισορροπεί. Για να χαρακτηρίσουμε την ισορροπία, ας υποθέσουμε ότι οι τρεις σφαίρες, εκτρέπονται λίγο προς τα δεξιά. Η περιστροφή έγινε ως προς άξονα κάθετο στο επίπεδο της σελίδας, που περνά από το κέντρο μάζας C και προφανώς προκλήθηκε από κάποια ροπή.

Διαβάστε τη συνέχεια....
ή

 Παράλληλες δυνάμεις,  η άνωση και η πλεύση.

Παράλληλες δυνάμεις,  η άνωση και η πλεύση.

Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό και για επιταχύνσεις…

Η ανάρτηση απευθύνεται μόνο σε καθηγητές και είναι συνέχεια μιας παλιότερης:

Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό…

Περιέχει λίγη θεωρία και μια εφαρμογή:

Εφαρμογή:

Ένας ομογενής οριζόντιος δίσκος ακτίνας R=1m, κινείται  σε λείο οριζόντιο επίπεδο με την επίδραση κατάλληλης δύναμης F. Κάποια στιγμή που ο δίσκος έχει γωνιακή ταχύτητα ω=1rad/s και γωνιακή επιτάχυνση α_γων=3rad/s², διανύσματα κατακόρυφης διεύθυνσης με φορά προς τα πάνω, το σημείο Α στο άκρο μιας ακτίνας στη διεύθυνση x, έχει επιτάχυνση μέτρου α_Α=5m/s² η οποία σχηματίζει γωνία θ (ημθ=0,6) με την ακτίνα, όπως στο σχήμα.

Να υπολογιστούν:

1) Η επιτάχυνση του κέντρου μάζας Κ του δίσκου

2) Η επιτάχυνση του αντιδιαμετρικού σημείου Β του δίσκου.

Διαβάστε τη συνέχεια…

ή

 Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό και για επιταχύνσεις…

Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό και για επιταχύνσεις…

Οι ενέργειες σε ένα στάσιμο κύμα.

Έστω ότι σε ένα ελαστικό μέσο, μια χορδή, έχει δημιουργηθεί ένα στάσιμο κύμα με εξίσωση:

Όπως αυτό που μελετά το σχολικό βιβλίο.

Κάθε στοιχειώδες τμήμα της χορδής θα έχει κινητική ενέργεια, εξαιτίας της ταχύτητας ταλάντωσης και μια δυναμική ενέργεια, εξαιτίας της παραμόρφωσης που υπόκειται.

Με βάση την αντίστοιχη μελέτη πάνω σε ένα τρέχον κύμα, που έγινε στην ανάρτηση «Η ενέργεια και η ισχύς σε ένα αρμονικό κύμα», για τις ενέργειες αυτές θα έχουμε:

Κάθε στοιχειώδες τμήμα της χορδής μήκους dx και μάζας m₁=dm=μdx έχει κινητική ενέργεια:

Διαβάστε τη συνέχεια...

ή

Οι ενέργειες σε ένα στάσιμο κύμα.

Η ενέργεια ενός παλμού

Στην προηγούμενη ανάρτηση «Η ενέργεια και η ισχύς σε ένα αρμονικό κύμα.» ασχοληθήκαμε με το τι συμβαίνει με την ενέργεια κατά την διάδοση ενός αρμονικού κύματος σε μια χορδή.

Ας δούμε τώρα τι διαφορετικό έχουμε, αν κατά μήκος μιας τεντωμένης χορδής, η οποία τείνεται με δύναμη F, διαδίδεται ένας τριγωνικό παλμός με ταχύτητα υ=√F/μ.

Για ευκολία στις πράξεις, έστω ότι ο παλμός είναι αυτός του διπλανού σχήματος, ο οποίος διαδίδεται προς τα δεξιά με ταχύτητα υ=2m/s, ενώ η γραμμική πυκνότητα της χορδής είναι ίση με μ=0,05kg/m, πράγμα που σημαίνει ότι η τάση της χορδής είναι F=μυ²=0,2Ν.

Διαβάστε τη συνέχεια…

ή

Η ενέργεια ενός παλμού

Η ενέργεια και η ισχύς σε ένα αρμονικό κύμα.

Έστω ότι κατά μήκος ενός γραμμικού ελαστικού μέσου, μιας χορδής, διαδίδεται ένα αρμονικό κύμα με εξίσωση:

y=Α∙ημ2π(t/Τ-x/λ)

Η χορδή τείνεται με δύναμη F, έχοντας γραμμική πυκνότητα μ, με αποτέλεσμα η ταχύτητα διάδοσης του κύματος, κατά μήκος της, να δίνεται από την γνωστή εξίσωση υ=√F/m.

Διαβάστε τη συνέχεια…

ή

Η ενέργεια και η ισχύς σε ένα αρμονικό κύμα.

Η μεταφορά ορμής.

 

Σε λείο οριζόντιο επίπεδο ηρεμεί ένα σώμα Σ μάζας Μ. Τη χρονική στιγμή t₀=0 στο σώμα ασκείται μια σταθερή οριζόντια δύναμη μέτρου F=2Ν.

i)  Ποια η ορμή του σώματος Σ τη στιγμή t₁=10s;

ii) Αν στη θέση του σώματος Σ, είχαμε δυο σώματα Α και Β με μάζες m και 3m, τα

οποία συνδέονται με αβαρές νήμα και ασκούσαμε την ίδια δύναμη στο σώμα Β, να βρεθεί η ορμή κάθε σώματος τη στιγμή t₁.

iii) Επαναλαμβάνουμε το πείραμα, αλλά τώρα έχουμε τα σώματα Σ₁ και Σ₂ με μάζες m₁=1kg και m₂=4kg,τα οποία συνδέονται με ιδανικό ελατήριο, όπως στο τρίτο σχήμα. Ασκούμε ξανά την ίδια δύναμη στο σώμα Σ₂, οπότε τη στιγμή t₁ το σώμα Σ₂, έχει ταχύτητα μέτρου υ₂=3m/s. Να βρεθεί η ταχύτητα του σώματος Σ₁ την ίδια χρονική στιγμή t₁.

iv) Τη στιγμή t₁ σταματά να ασκείται η δύναμη F.  Μια επόμενη χρονική στιγμή t₂ η ταχύτητα του σώματος Σ₁ μηδενίζεται στιγμιαία. Να βρεθεί η ταχύτητα του Σ₂ τη στιγμή αυτή.

Απάντηση:

Η μεταφορά ορμής. 

Ένα Χρονοκύκλωμα με πηνίο.

Στο κύ­κλω­μα του σχή­μα­τος δί­νο­νται: Ε=40V, R₁=4Ω, R₂=4Ω,  L=0,2H. Τη χρονική στιγμή t₀=0 κλείνουμε το διακόπτη και τη στιγμή t₁=0,5s, τον ανοίγουμε.

i)  Να βρεθεί η ένταση του ρεύματος που διαρρέει κάθε κλάδο του κυκλώματος για t=0⁺ (αμέσως μετά το κλείσιμο του διακόπτη) καθώς και ο αντίστοιχος ρυθμός μεταβολής της έντασης.

ii) Να γί­νουν οι γρα­φι­κές πα­ραστάσεις των εντάσεων των ρευμάτων, σε συνάρτηση με το χρόνο.

iii) Να γίνουν επίσης οι γραφικές παραστάσεις σε συνάρτηση με το χρόνο, των τάσεων V_ΓΔ, V_ΒΖ και V_ΒΚ.

Απάντηση:

ή

Ένα Χρονοκύκλωμα με πηνίο

Ένα χρονοκύκλωμα με πυκνωτή.

Στο κύ­κλω­μα του παραπάνω σχή­μα­τος, δίνονται ότι R₁=R₂=10KΩ, C=50μF και Ε=100V. Τη στιγμή t₀=0, με τον πυκνωτή αφόρτιστο, κλεί­νου­με το δια­κό­πτη Δ και τη  στιγμή t₁=3s τον α­νοί­γου­με.

i)  Να γί­νουν οι γρα­φι­κές πα­ρα­στά­σεις των ε­ντά­σε­ων των ρευ­μά­των που διαρ­ρέ­ουν τους κλά­δους του κυ­κλώ­μα­τος σε συ­νάρ­τη­ση με το χρό­νο και να υ­πο­λο­γιστούν τα εμ­βα­δά των χω­ρί­ων που σχη­μα­τί­ζο­νται από τις γραφικές παραστάσεις και τον άξονα των χρόνων.   

ii) Να βρεθεί η ολική ενέργεια που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα.

iii) Ποι­ος ο ρυθ­μός με­τα­βο­λής της έ­ντα­σης του ρεύ­μα­τος που διαρ­ρέ­ει την α­ντί­στα­ση R₂, τη χρο­νι­κή στιγ­μή t₂  που η τά­ση στα ά­κρα της εί­ναι ίση με 40V.    

Απάντηση:

ή

Ένα χρονοκύκλωμα με πυκνωτή.

Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό…

Αρκεί να μην χαθεί το μονοπάτι…

Μόνο για Καθηγητές.

Μια ράβδος ΑΒ κινείται οριζόντια σε λείο οριζόντιο επίπεδο. Σε μια στιγμή το άκρο Α, έχει ταχύτητα μέτρου υ₁=1m/s, όπως στο σχήμα. Την ίδια στιγμή το σημείο Β, το οποίο απέχει από το Α κατά (ΑΒ)=1m, έχει ταχύτητα υ₂ η οποία σχηματίζει γωνία 45^ο με τον άξονα της ράβδου.

Να βρεθεί η ταχύτητα, τη στιγμή αυτή, του σημείου Γ, αν (ΑΓ)=3m;

Απάντηση:

ή

	Γιατί το «να κόβεις δρόμο» είναι καλό…

Τι δεν είναι η πίεση!!!

Η πρώτη «θερινή» ανάρτησή μου στα ρευστά ήταν η

Μερικές εισαγωγικές ερωτήσεις στα ρευστά.

Μια προσπάθεια, μέσω κάποιων ερωτημάτων, να τεθεί ένα πλαίσιο αρχικών βασικών γνώσεων όσον αφορά τα υγρά. Επειδή παρατηρώ κάποιες απορίες αλλά και λανθασμένες ερμηνείες σε βασικές ιδέες, ας κάνουμε μια δεύτερη προσπάθεια, συζητώντας και αναλύοντας κάποιες από αυτές τις ιδέες.

Η πίεση δεν είναι εσωτερική ενέργεια.

Είναι σωστή η πρόταση ότι η πίεση ενός υγρού εκφράζει την   εσωτερική του ενέργεια;

Έστω ότι έχουμε ένα δοχείο, με αδιαβατικά τοιχώματα, το οποίο περιέχει ένα ασυμπίεστο υγρό και κλείνεται με ένα αβαρές έμβολο, έξω από την ατμόσφαιρα και μακριά από βαρυτικά πεδία. Προφανώς το υγρό έχει κάποια εσωτερική ενέργεια (απροσδιόριστης τιμής…). Σε μια στιγμή ασκούμε μια δύναμη F στο έμβολο, με αποτέλεσμα...
Συνέχεια...
ή

	Τι δεν είναι η πίεση!!!

Νόμος του Poiseuille για σωλήνα.

Μια μόνιμη και στρωτή ροή πραγματικού ρευστού.

Έστω σε ένα οριζόντιο σωλήνα, κυλινδρικού σχήματος, ακτίνας R και μήκους , έχουμε μια μόνιμη και στρωτή ροή, ενός πραγματικού ρευστού με συντελεστή ιξώδους n.

Η ροή ονομάζεται μόνιμη, αφού σε κάθε σημείο, η ταχύτητα έχει μια συγκεκριμένη τιμή ανεξάρτητη του χρόνου και στρωτή,  αφού ναι μεν η ταχύτητα είναι διαφορετική στα διάφορα σημεία μιας τομής, αλλά μπορούμε να διακρίνουμε στρώματα με μια ορισμένη ταχύτητα, όπου το ένα κινείται παράλληλα στο άλλο.

Θα μελετήσουμε την δυναμική της ποσότητας του ρευστού που περικλείεται σε ομοαξονικό κύλινδρο ακτίνας r. Στο σχήμα έχουν σχεδιαστεί οι δυνάμεις F₁ και F₂, λόγω πίεσης από τις διπλανές ποσότητες ρευστού και η δύναμη εσωτερικής τριβής Τ, η οποία ασκείται σε όλη την παράπλευρη επιφάνεια του μικρού κυλίνδρου. Για τα μέτρα των δυνάμεων έχουμε:

Διαβάστε τη συνέχεια:

ή

	Νόμος του Poiseuille για σωλήνα.
	Νόμος του Poiseuille για σωλήνα.