Physics 1307 Practice Quiz 5 Chapter 8 1/3

Report 275 Downloads 290 Views
Physics 1307  Practice Quiz 5 Chapter 8 Problem I : Satellite maneuvering In order to get a flat uniform cylindrical satellite spinning at the correct rate, engineers fire four tangential rockets  as shown. If the satellite has a mass of    M=2600Kg   a radius of 3.0 m. What is the required force of each  rocket if the satellite is to reach 30 rmp in 5.0 min? Problem II: Atwood's machine v 2.0 An Atwood's machine consists of two masses  m 1 and  m2 , which are connected by a massless inelastic cord 

that  passes  over  a   pulley.  If   the  pulley  has  radius  R  and  moment  of  inertia  I  about  its  axle,  determine  the  acceleration of the masses  m 1 and  m2 and compare to the situation in which the moment of inertia of the  pulley is ignored. (Hint: The tensions are not necessarily equal) 

SOLUTIONS Problem solving strategy Momentum conservation and collisions 1. As always, draw a clear and complete diagram. 2. Draw a free body diagram for the body under consideration (or for each body if more than one), showing  only (and all ) the forces acting on that body and exactly where they act, so you can determine the torque  due to each.  3. Identify the axis of rotation and calculate the torques about it. Choose positive and negative directions of  rotation (counterclockwise and clockwise), and assign the correct sign to each torque.  4. Apply Newton's second law for rotation,  ∑ =I  . If the moment of inertia is not given, and it is not  the   unknown  sought,   you   need  to   determine  it   first.   Use   consistent   units,   which   in   SI   are:    in  rad / s2 ;   in m.N and I in  Kg⋅m2 . You have one equation for each component.  5. Solve algebraically for the unknown quantity (ies).

1/3

Problem I First, a graph of the  situation  and then the application of Newton's second law for rotation:

∑ =I 

4FR=I  1 MR 2  I 2 1 F= = = M R 4R 4R 8 1min rev 30 2 1 min 60s F= 2600Kg3.0 m =10 N 8 s 5.0 min 60 min

R

Problem II We start with a picture of the system and the free body diagrams for each object. 

R

+

m1 m2 FT2

FT1 mm2 2

m1

m2g

m1g F T2−m2 g=m2 a 2

F T1−m 1 g=m 1 a1

2/3

∑ =I 

−F T2 RFT1 R=I 

FT2

FT1

Now, we can observe that we have only 3 equations and 5 unknowns:  F T1 , F T2 ,  , a1 , a 2  since we are  not assuming that the tensions  F T1 , F T2 are equal. We need to find two more equations. The first one is  easy:  

a 1=−a 2 since the masses are linked by a massless inelastic cord. The second equation uses the fact that the  acceleration of either block and the angular acceleration of the pulley are also linked. For example we  have   =

−a 1 R

Inserting the two equations for the accelerations and the equations for the two tensions into the equation  for the pulley we find: ∑ =I  −a 1 −m 2 −a1 m2 g Rm1 a 1m 1 g R=I   R −a 1  m1m2 a 1 m1−m2  g=I  2  R I a1  m2m1 2 = m2−m1 g R  m2−m1 g a1 = I m 2m1 2 R If   we   compare   this   result   with   the   one   that   we   obtained   ignoring   the   moment   of   inertia   m −m1 g a 1= 2  we realize that they are the same if we take I=0, which is to be expected. m1m2 3/3