VEKTÖRLERkisi.deu.edu.tr/kamile.tosun/2-vektorler-_CEV.pdfKT 3 • Vektörün, doğrultusunu bir...
Transcript of VEKTÖRLERkisi.deu.edu.tr/kamile.tosun/2-vektorler-_CEV.pdfKT 3 • Vektörün, doğrultusunu bir...
KT 1
VEKTÖRLER
YRD.DOÇ.DR. KAMİLE TOSUN FELEKOĞLU
KT 2
Mekanik olayları ölçmekte ya da değerlendirmekte
kullanılan matematiksel büyüklükler:
• Skaler büyüklük: sadece bir sayısal değeri tanımlamakta kullanılır, pozitif veya negatif olabilir. Kütle, hacim ve uzunluk statikte sıkça kullanılan skalerlerdir.
• Vektörel büyüklük: Şiddet, doğrultu ve yön ile belirtilen fiziksel bir büyüklüktür. Kuvvet, moment, konum vektörel birer büyüklüktür. Vektör, yönlenmiş bir doğru parçasıyla temsil edilir.
KT 3
• Vektörün, doğrultusunu bir doğru, yönünü bir ok,
şiddetini de okun boyu belirler.
• Vektörler harfin üzerine kısa bir ok çizilerek gösterilir.
• Bu şekilde gösterilen vektörün şiddeti “A” ile ifade edilir.
A
KT 4
Vektörel İşlemler
• Vektörün bir skalerle çarpımı veya bölümü
• bir vektörün bir skalerle çarpımı veya bölümü, yine aynı vektör doğrultusunda yeni bir vektör verir. Bu vektörün şiddeti, skaler ile mevcut vektörün şiddetinin çarpımına eşittir
KT 5
Vektörlerin Toplamı
• Vektörler paralelkenar ilkesi kullanılarak birbiriyle toplanır. A ve B vektörleri başlangıç noktalarında birleştirilir. Her bir vektörün ucundan diğer vektöre çizilen paralel doğrular paralelkenarı oluşturur. R bileşkesi A ve B’nin başlangıcından doğruların kesiştiği noktaya çizilen doğrudur. R bileşkesi paralelkenarın köşegenidir.
BAR
KT 6
Vektörlerin Toplamı
• A ve B vektörlerini paralelkenar ilkesinin özel bir uygulaması olan “üçgen ilkesi”ne göre de toplayabiliriz.
• A vektörünün ucuna B vektörü eklenir, A’nın başlangıcı ile B’nin ucu birleştirilir ve R bileşke vektör elde edilir.
ABBAR
Vektör toplamı komutatif’tir,
vektörler herhangi bir
sırada toplanabilir.
KT 7
• A ve B vektörü aynı etki çizgisine sahipse
paralelkenar kuralı cebirsel (skaler)
toplama indirgenir.
Vektörlerin Toplamı
• R= A+B (şiddetlerin toplamı)
KT 8
Vektör Çıkarması • A ve B vektörlerinin çıkarılması için paralelkenar veya üçgen kuralı
kullanılabilir. A ve B vektörleri arasındaki fark bileşke vektörü:
)( BABAR
• Vektör toplamı için uygulanan kurallar vektör çıkarması için de
kullanılmaktadır.
KT 9
Kuvvetlerin Vektörel Toplamı
• Kuvvetler, belli bir büyüklük, doğrultu ve yöne sahiptir ve vektörel bir büyüklük olduğu için paralelkenar kuralına göre toplanır.
• Statikteki iki genel problem: – Bileşenlerden bileşke kuvvet bulmak
– Bilinen bir kuvveti bileşenlerine ayırmak
KT 10
Bir kuvvetin bileşenlerine ayrılması
• Bir noktaya etkiyen bir tek vektör yerine aynı etkiyi yapacak iki veya daha fazla vektör koymak mümkündür.Bunlara vektörün bileşenleri denir. Bu bileşenleri bulabilmek için: – İki bileşenden düzlemde biri, uzayda ise üç bileşenden ikisi
bilinmelidir.
– Bileşenlerin tesir çizgileri bilinmelidir.
KT 11
İkiden fazla kuvvetin toplanması
• İkiden fazla kuvvet toplanacaksa, bileşke kuvveti bulmak
için paralelkenar kuralı birden fazla uygulanabilir.
321 )( FFFFR
KT 12
• Paralelkenar kuralı
• Trigonometri
Analizde izlenecek yol
KT 13
Örnek 1 • F1 ve F2 kuvvetlerinin
bileşkesini ve yönünü bulunuz.
• Çözüm:
KT 14
• Kosinüs teoremi’nden:
• Sinüs teoreminden:
Örnek 1
KT 15
Örnek 2
• Bu iki kuvvetin bileşkesinin y ekseni üzerinde olması için F kuvvetinin şiddetini bulunuz.
200 N
200 N 200 N
NF
Sin
N
Sin
F
NF
Sin
N
Sin
F
R
R
273
45
200
75
245
45
200
60
KT 16
600 N
• 600N’luk kuvveti u ve v
eksenlerinde
bileşenlerine ayırınız.
600 N
Örnek 3
600 N
NFNF
NFNF
vv
uu
60030sin
600
30sin
103930sin
600
120sin
F2 kuvvetinin şiddetini, yönünü
ve bileşke kuvveti bulunuz.
(bileşke kuvvet x ekseni
üzerinde, F2 kuvveti ise
minimum şiddette olsun)
Örnek 4
KT 19
Düzlemsel kuvvetlerin toplanması
(Kartezyen Koordinatlar)
• Eğer bir kuvvet x ve y eksenlerindeki bileşenlerine ayrılırsa, bu bileşenlere “kartezyen bileşenler” denir.
• x ve y eksenleri pozitif ve negatif yönler belirttiklerinden, bir kuvvetin dik bileşenlerinin büyüklüğü ve yönü cebirsel skalerlerle ifade edilebilir.
sin.
cos.
FF
FF
y
x
Skaler gösterim:
KT 20
• F vektörünün yönü, açısı yerine küçük eğim üçgeni ile de
gösterilebilir.
c
b
F
Fveya
c
bFF
c
a
F
Fveya
c
aFF
y
y
xx
)(
)(
• Fy vektörünün yönü negatif y ekseninde olduğundan y
bileşeni negatiftir, bu nedenle hesaplamalarda (-) işareti
kullanılmalıdır.
KT 21
Kartezyen vektör gösterimi
• Bir kuvvetin bileşenleri, kartezyen birim vektörler cinsinden ifade edilebilir. x ve y eksenlerinin doğrultularını belirtmek için sırasıyla i ve j kartezyen birim vektörleri kullanılır. Bu vektörler, boyutsuz birim uzunluktadır ve yönleri (ok ucu), pozitif veya negatif x ve y eksenini işaret etmesine bağlı olarak, artı veya eksi işareti ile gösterilir.
jFiFF yxˆˆ
KT 22
Aynı düzlemdeki kuvvetlerin bileşkeleri
• Bir kuvvetin bileşenlerini göstermede kullanılan iki yöntem de çok sayıda düzlemsel kuvvetin bileşkesini belirlemek için de kullanılabilir. Bunun için, her bir kuvvet önce x ve y bileşenlerine ayrılır ve sonra karşılıklı bileşenler aynı doğru üzerinde bulunduklarından skaler cebir kullanılarak toplanır.
jFiFF
jFiFF
jFiFF
yx
yx
yx
ˆˆ
ˆˆ
ˆˆ
333
222
111
KT 23
Aynı düzlemdeki kuvvetlerin bileşkeleri
321 FFFFR
VEKTÖREL TOPLAM
SKALER TOPLAM
jFiF
jFFFiFFF
jFiFjFiFjFiFF
RyRx
yyyxxx
yxyxyxR
ˆˆ
ˆ)(ˆ)(
ˆˆˆˆˆˆ
321321
332211
yyyRy
xxxRx
FFFF
FFFF
321
321
KT 24
İkiden fazla kuvvetin toplanması
• Herhangi bir sayıda düzlemsel kuvvetin bileşkesinin x ve y bileşenleri, bütün kuvvetlerin x ve y bileşenlerinin cebirsel toplamıyla bulunabilir.
yRy
xRx
FF
FF
KT 25
• Bileşkenin bileşenleri belirlendikten sonra, şekildeki gibi, x ve y eksenleri boyunca çizilebilir. Bileşke kuvvet vektör toplamından belirlenebilir. Bileşkenin büyüklüğü ve yönü ise şu şekilde bulunabilir.
yRy
xRx
FF
FF
Rx
Ry
RyRxR
F
F
FFF
1
22
tan
KT 26
Örnek 5:
• Şekilde gösterilen kuvvetlerin bileşkesini birim vektörleri kullanarak bulunuz
KT 27
Nji
FFF
NjiF
NjiF
NFN
F
NFN
F
NF
NF
R
y
y
xx
y
x
ˆ73ˆ140
ˆ100ˆ240
ˆ173ˆ100
10013
5
260
24013
12
260
17330cos.200
10030sin.200
21
2
1
2
2
22
1
1
KT 28
Örnek 6
• Etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin y ekseni boyunca olması ve şiddetinin de 800 N olması için F1 kuvvetinin şiddetini, açısının ne olması gerektiğini bulunuz
• Etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin y ekseni boyunca olması ve şiddetinin de 800 N olması için F1 kuvvetinin şiddetini, açısının ne olması gerektiğini bulunuz
• Şekilde gösterilen kuvvetlerin bileşkesini bulunuz
Örnek 7
ÇÖZÜM 1:
ÇÖZÜM 2:
KT 34
Kartezyen Vektörler
• Vektör işlemleri, üç boyutlu problemlerin
çözümüne uygulanırken vektörler kartezyen
vektör formunda ifade edilirse işlem basitleşir.
• Sağ El Koordinat Sistemi:
– Vektör cebri işlemlerinde
sağ el koordinat sistemi
kullanılacaktır.
KT 35
Bir vektörün kartezyen bileşenleri
• Bir A vektörünün x, y, z koordinat eksenlerinde bileşenleri olabilir. Paralelkenar kuralını iki kez ard arda uygulayarak;
zyx
yx
z
AAAA
AAA
AAA
KT 36
Kartezyen birim vektörler
• Üç boyutlu uzayda, i, j, k kartezyen birim vektörleri sırasıyla x, y, z eksenlerinin doğrultusunu göstermek için kullanılır. Şekilde verilen vektörler, pozitif birim vektörlerdir.
KT 37
Kartezyen vektör gösterimi
• Vektörleri kartezyen bileşenler cinsinden yazmak önemli bir avantaj sağlar. Her bir bileşen vektörün şiddeti ve yönünü belirtir.
kAjAiAA zyxˆˆˆ
KT 38
Kartezyen vektörün büyüklüğü
• Kartezyen vektör formunda ifade edilen bir A vektörünün şiddetini bulmak için:
2
2
2
2
'
'
z
yx
AAA
AAA
222
zyx AAAA
KT 39
Kartezyen vektörün yönleri
• A vektörünün doğrultusu, A’nın başlangıç noktası ve bu noktada yer alan pozitif x, y, z eksenleri arasında ölçülen (alfa), (beta), (gama) doğrultu açıları ile tanımlanır. Bu açılar 0 ile 180 arasındadır.
• , ve ’yı belirlemek için A’nın x, y, z eksenleri üzerindeki izdüşümleri kullanılır.
KT 40
Yön kosinüsleri
A
A
A
A
A
A zyx coscoscos
KT 41
• A vektörünün doğrultu kosinüslerini elde etmenin kolay bir yolu, A doğrultusunda bir birim vektör oluşturmaktır.
** Eğer bir vektörün
şiddeti ve yön
kosinüsleri biliniyorsa,
A vektörü kartezyen
koordinatlarda ifade
edilebilir.
uA’nın büyüklüğü 1 olduğundan;
kA
Aj
A
Ai
A
A
A
Au zyx
Aˆˆˆ
A
A
A
A
A
A zyx coscoscos222
zyx AAAA
kjiuAˆcosˆcosˆcos
1coscoscos 222
kAjAiA
kAjAiA
uAA
zyx
A
ˆˆˆ
ˆcosˆcosˆcos
KT 42
Kartezyen vektörlerin toplanması
KT 43
Örnek 8
F kuvvetini kartezyen vektör
olarak ifade ediniz.
Fx (+x) yönünde
olduğu için 60°
olmalı
1coscoscos 222
KT 44
• F kuvvetini kartezyen vektör olarak ifade ediniz ve F kuvvetinin yön kosinüslerini bulunuz
• F kuvvetini kartezyen vektör olarak ifade ediniz ve F kuvvetinin yön kosinüslerini bulunuz
Örnek 9
yx
z
FFF
FFF
'
'
KT 47
Pozisyon (Konum) Vektörleri
• Pozisyon vektörü uzaydaki herhangi iki nokta arasında yönelen bir kartezyen kuvvet vektörünü formüle etmek açısından önemlidir.
• r pozisyon vektörü, bir noktanın uzaydaki konumunu diğer bir noktaya göre belirleyen sabit bir vektördür.
kzjyixr ˆˆˆ
KT 48
• Daha genel bir halde, pozisyon vektörü uzaydaki
A noktasından B noktasına da yönelebilir.
Vektör toplamı
KT 49
• r konum vektörü, i, j, k bileşenleri, vektörün başlangıcının koordinatları A (xA, yA, zA), ucuna karşı gelen koordinatlardan B (xB, yB, zB) çıkartılarak bulunabilir.
• Ayrıca, bu üç bileşenin uç uca eklenmesi r’yi verir. A’dan başlıyarak B’ye ulaşılıyor.
KT 50
• A ve B noktalarının, oluşturulan koordinat sistemine göre koordinatları biliniyorsa, A’dan B’ye giden pozisyon vektörü bulunabilir ve bu yöndeki birim vektör kolaylıkla elde edilir:
vektörbirimr
ru
yeBdanAr
;
'':
Bu birim vektörün bileşenleri ,
ve yönlerini vermektedir.
kjiuAˆcosˆcosˆcos
KT 51
Bir doğru boyunca yönelen kuvvet vektörü
• Üç boyutlu statik problemlerinde, bir kuvvetin doğrultusu genellikle etki çizgisinin geçtiği iki nokta ile belirlenir. Şekildeki F kuvveti buna bir örnektir. Doğrultusu A’dan B’ye olan F kuvveti kartezyen vektör şeklinde ifade edilebilir.
KT 52
Bir doğru boyunca yönelen veya iki nokta arasında uzanan
kuvvet vektörü
ANALİZDE İZLENECEK YOL
F, A noktasından B noktasına uzanan bir
doğru boyunca etkiyorsa aşağıdaki şekilde
kartezyen vektör formunda ifade edilebilir:
Konum Vektörü: A’dan B’ye yönelen
konum r vektörü belirlenir ve r büyüklüğü
hesaplanır.
Birim Vektör: Hem r hem de F’nin
doğrultusu ve yönünü tanımlayan u=r/r
birim vektörü belirlenir.
Kuvvet Vektörü: F büyüklüğü ve u
doğrultusu birleştirilerek yani F=Fu ile F
belirlenir.
KT 53
Örnek 10
• Şekilde gösterilen çatı, AB ve AC zincirleriyle taşınmaktadır. A noktasına etki eden bileşke kuvveti kartezyen vektör olarak ifade edin.
KT 54
A (0,0,4)
B (4,0,0)
C (4,2,0)
KT 55
• A noktasına etki eden kuvveti kartezyen vektör olarak ifade edin.
Örnek 11
57
Nokta (Skaler) Çarpım • Statikte bazen iki doğru arasındaki açının, veya bir
kuvvetin bir doğruya paralel ve dik bileşenlerinin bulunması gerekir. İki boyutlu problemlerde trigonometri ile çözülebilir, ancak 3 boyutluda çözüm için vektör yöntemleri uygulanmalıdır.
• Skaler çarpım, iki vektörün çarpımı için özel bir yöntemdir.
• A ve B vektörlerinin skaler çarpımı, AB şeklinde yazılır ve A skaler çarpım B diye okunur. A ve B’nin büyüklükleri ile iki vektör arasındaki açının kosinüsünün çarpımı olarak tanımlanır.
oo
BABA
1800
cos
58
• Bu çarpıma skaler çarpım veya nokta çarpım da
denir. Bu işlemin kuralları :
– Değişme özelliği (komütatiflik )
– Skaler ile çarpım
– Dağılma kuralı (distributiflik)
)()()(
)()()(
DABADBA
BaABAaBAa
ABBA
59
Kartezyen vektör formülasyonu
cosBABA Formülünü kullanarak kartezyen
birim vektörlerin çarpımını bulmak
için kullanılabilir.
Örneğin:
0ˆˆ0ˆˆ1ˆˆ1ˆˆ
090cos)1)(1(ˆˆ10cos)1)(1(ˆˆ
jkkikkjj
jiii oo
60
Uygulamalar1 • Skaler çarpımın mekanikte iki önemli uygulama
alanı vardır:
– 1) İki vektör veya kesişen doğrular arasındaki açı
cosBABA
61
Uygulamalar 2 • 2) Bir vektörün bir doğruya paralel ve dik bileşenlerinin
bulunması:
Aa: a-a doğrultusundaki A vektörünün bileşeni. A’nın izdüşümü de denir.
a-a’nın doğrultusu ua birim vektörüyle belirlenmişse, Aa vektörünün şiddeti
skaler çarpımla bulunabilir.
.
coscos
)1(
bulunurşeklindeuAA
AAu
uuAA
aa
a
aaa
62
• A vektörünün dik bileşeni:
.'
sincos
)cos(
22
1
bulunurdenAAA
veyaAAA
uA
uAAAAAAAA
a
a
aaa
63
ÖRNEK 12
Şekilde verilen
F kuvvetinin
AB çubuğuna
paralel ve dik
bileşenlerini
bulunuz.
A (0; 0; 0) B (2; 6; 3) kjirBˆ3ˆ6ˆ2
64 0ˆˆ0ˆˆ1ˆˆ1ˆˆ
090cos)1)(1(ˆˆ10cos)1)(1(ˆˆ
jkkikkjj
jiii oo