Laatikko liukuu kaltevalla tasolla
Tarkastellaan energiaperiaatteen kautta laatikon liukumista kaltevalla tasolla. Laatikko on kiihtyvässä liikkeessä.
Mekaniikan energiaperiaate
Laatikon potentiaalienergia muuntuu liukukitkan tekemäksi työksi ja laatikon liike-energiaksi.
[[$\quad E_\text{P}-W=E_\text{K}$]]
Laatikolla on alussa potentiaalienergiaa. Kitka on ei-konservatiivinen voima, joten se tekee työtä. Liukukitka vastustaa kappaleen liikettä, joten sen liukukitkan tekemän työ on merkiltään negatiivista.
Potentiaalienergian määritelmä
[[$\quad E_\text{P}=mgh$]]
Liike-energian määritelmä
[[$\quad E_\text{K}=\frac{1}{2}mv^2$]]
Työn määritelmä
[[$\quad W=F_\mu s$]]
Kitkan määritelmä
[[$\quad F_\mu =\mu N$]]
Painon määritelmä
[[$\quad G=mg$]]
Laatikko ei liiku tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, joten painon pintaa vastaan kohtisuorakomponentti ja pinnan tukivoima ovat yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset. Dynamiikan peruslain mukaan voimien summa on nolla.
[[$\quad \bar{G}_y+\bar{N}=\bar{0}$]]
Painon pystysuuntaisen ja painon välinen yhteys
[[$\quad G_y=G\cos \alpha$]]
[[$\quad G_y-N=0\\ \quad G\cos \alpha=N$]]
Vaakasuunnassa laatikkoon vaikuttaa vain liukukitka, jonka suunta on nopeudelle vastakkainen.
Kirjoitetaan energiamuotojen ja voimien määritelmät. Perustellaan voimien keskenäiset suunnat ja suuruudet voimakuviolla tai sanallisesti. Dynamiikan peruslakia ei tarvitse kirjoittaa vaakasuunnassa [[$(F_\mu =ma)$]], ellei tehtävässä ole tarkoitus ratkaista kiihtyvyyttä tai höydyntää kiihtyvyyttä muiden suureiden ratkaisussa.
Tason kaltevuuskulma yhdistää tason pituuden [[$s$]] ja tason korkeuden toisiinsa.
[[$\quad h=s\sin \alpha$]]
[[$\quad \frac{1}{2}mv^2-F_\mu s=mgh$]] (1)
[[$\quad \frac{1}{2}mv^2-\mu mg\cos \alpha \cdot s=mgh$]] (2)
[[$\quad \frac{1}{2}mv^2-\mu mgs\cos \alpha=mgs\sin \alpha$]] (3)
Sijoitetaan määritelmät energiaperiaatteen mukaiseen yhtälöön. Samaa tilannetta voidaan kuvat usealla erilaisella yhtälöllä. Yllä on muutama erilainen vaihtoehto. Yhtälöt ilmoitetaan muodossa, jossa esiintyvät tunnetut lähtöarvot. Jos tiedossa on liukukitkan suuruus tai liukukitkaa ratkaistaan, voidaan käytetään kitkan tekemälle työlle muotoa, jossa esiintyy liukukitka (yhtälö 1). Jos tiedossa on liukukitkakerroin tai sitä on tarkoitus ratkaista, hyödynnetään myös kitkan määritelmää (yhtälöt 2, 3 tai 4).
Tehtäväannossa ei tarvita kaikkia tietoja, joita lausekkeiden määritelmissä esiintyy tehtävän ratkaisussa. Esimerkiksi yhtälöstä 2 ja 3 voidaan supistaa laatikon massa pois. Tason kaltevuuskulman avulla voidaan selvittää korkeutta tai tason pituutta.
[[$\quad \frac{1}{2}v^2-\mu gs\cos \alpha=gs\sin \alpha$]]
Tyypillisiä suureita, joita tehtävässä ratkaistaan ovat laatikon loppunopeus [[$v$]] tason alaosassa, liukukitkakerroin [[$\mu$]], liukumismatka [[$s$]] tai tason korkeus. Myös liukukitkaa [[$F_\mu$]] voidaan ratkaista, mutta tällöin käytetään yhtälöä 1 ja silloin laatikon massa täytyy olla tiedossa.