Rotatie

Jochem stelde deze vraag op 07 april 2019 om 20:10.

 Goedenavond. 

Ik was bezig met deze opgave maar ik kom er niet uit.

De opgave luidt als volgt. Je hebt een stang. De lengte van de stang is 45 centimeter.
De massa van de stang is 2,70 kilogram. 


Hierboven staat een bovenaanzicht van de stang. 
In de stang zijn er de punten T, S en P. Door punt P zit de rotatie-as. 
(De afstand TS = 45 centimeter).
De afstand PT is 10 centimeter.
Op punt S wordt er een constante kracht uitgeoefend. 
Wanneer de stang draait blijft de hoek tussen de arm en kracht constant (90 graden).
De stang legt 3 omwentelingen af. 
De eindsnelheid van punt S is 13,5 m/s.
De vraag is: bereken de constante kracht.

De afgelegde afstand of weg kan berekend worden. 
Een omtrek van een cirkel kan berekend worden met de formule: 
De straal is 0,35 meter. De stang legt 3 hele omwentellingen af. 
Met andere woorden: 
Teken een v,t grafiek.
De snelheid van punt S neemt lineair toe.

De oppervlakte van de grafiek S kan berekend worden met
(13,5 m/s - 0 m/s) * 0,5 * t = S.
De S is berekend (totale afstand of afgelegde weg). 
De tijd kan worden berekend. 
De berekende tijd is 0,977384381 s.
Vervolgens kan de versnelling berekend worden met de formule:
. De tijd is bekend en de afgelegde weg of afstand is ook bekend. 
Hieruit kan de versnelling berekend worden.
De versnelling is: 13,81237542 
De massa is bekend. De versnelling is bekend. 
Met Newton's tweede wet kan de kracht berekend worden.
De berekende kracht is 37,29341365 N.
Mijn antwoord klopt niet (volgens het antwoordenmodel).
Voor het antwoordenmodel is het antwoord 9,89 N.
Mijn vraag is wat doe ik fout? 
Of waar ga ik de fout in?

Reacties

Jan van de Velde op 07 april 2019 om 21:21
dag Jochem,

Je gaat vanaf nul in de fout: je berekent een draaiend systeem (rotatie) met de wetten van de rechtlijnige beweging (translatie). 

Ik hoop dat ik je met die opmerking terug op het goede spoor heb gezet, want de principes daarvan uitleggen, vanaf een startkennis 0, op een forum van achter een beeldscherm, zie ik eerlijk gezegd niet zitten. Dat hoort beter bij je eigen docent thuis. 

Groet, Jan
Theo de Klerk op 09 april 2019 om 08:52
Het gaat om een draaiende massa, dus de mechanica van roterende voorwerpen is van toepasing. Daarbij is "massa" door "traagheidsmoment" vervangen, maar de wetten lijken erg op hun lineaire broertjes.
Oplossing van het probleem: na 3 omwentelingen heeft de massa een kinetische energie (1/2 Iω2). Die toename (vanuit 0) moet door arbeid van een kracht zijn veroorzaakt. W = Fs met s de afstand die de kracht aflegde, t.w. 3 omtrekken.

Getallen invullen:

Icm = 1/12 ML2 = 1/12 . 2,7 . 0,452  traagheidsmoment van een roterende buis met draaias door zwaartepunt (midden van de buis)

Parallelle as stelling (draaias evenwijdig aan as door zwaartepunt, verplaatst over h = 0,45/2 - 0,10 = 0,125 m uit zwaartepunt):
I = Icm + Mh2 = 1/12 . 2,7 . 0,452 + 2,7 . 0,1252   = 0,0877  kgm2

Ekin = 1/2 Iω2 en  W = F.s = F . (2πr) . 3  als F constant is.
Ekin = W
v = ωr = ω (0,45 - 0,10) = 0,35 ω = 13,5  --> ω = 13,5 / 0,35 = 38,571  rad/s

Ekin  = 1/2 Iω2 = 0,5 . 0,0877 . 38,5712 = 65,236 J
W = F . (2πr) . 3 = F (2π 0,35) . 3 = 6,597 F

E = W
65,236 = 6,597 F   --> F = 65,236/6,597 = 9,89 = 9,9 N (afgerond op significantie)

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Clara heeft zevenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Clara nu over?

Antwoord: (vul een getal in)