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Physics 1A, Lecture 15: Torque and Angular Momentum Summer Session 1, 2011 The quiz will commence at 9:33 AM. Key QuesFons: (Discuss with neighbors before quiz) 1) What is torque? 2) What is a moment arm? 3) What are the condiFons for translaFonal and rotaFonal equilibrium? 4) What is the version of Newton's second law for rotaFonal moFon? 5) What is angular momentum? Turn in your Homework!

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Physics  1A,  Lecture  15:  Torque  and  Angular  Momentum  

Summer  Session  1,  2011    

The  quiz  will  commence  at  9:33  AM.  Key  QuesFons:  (Discuss  with  neighbors  before  quiz)  

1)  What  is  torque?    2)  What  is  a  moment  arm?  3)  What  are  the  condiFons  for  translaFonal  and  rotaFonal  equilibrium?  4)  What  is  the  version  of  Newton's  second  law  for  rotaFonal  moFon?  5)  What  is  angular  momentum?    

Turn  in  your  Homework!  

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Reading  Quiz  13-­‐1  

•  What  is  torque?    

A)  the  net  force  on  an  object  that  rotates    B)  the  resistance  of  an  object  to  change  its  rotaFon  C)  the  product  of  the  mass  of  an  object  and  its  angular  

acceleraFon    D)  the  force  that  provides  the  centripetal  force    E)  the  tendency  of  a  force  to  cause  an  angular  

acceleraFon  

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Reading  Quiz  13-­‐2  •  What  is  a  moment  arm?  

A)  The  distance  between  the  line  of  acFon  of  a  force  and  an      object’s  center  of  mass.  

B)  The  perpendicular  distance  between  the  line  of  acFon  of      a  force  and  an  object’s  moment  of  inerFa.  

C)  The  distance  between  the  line  of  acFon  of  a  force  and  an      object’s  moment  of  inerFa.  

D)  The  perpendicular  distance  between  the  line  of  acFon  of      a  force  and  an  object’s  axis  of  rotaFon  

E)  The  distance  between  the  line  of  acFon  of  a  force  and  an      object’s  axis  of  rotaFon.  

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Reading  Quiz  13-­‐3  

•  What  are  the  condiFons  for  both  translaFonal  and  rotaFonal  equilibrium?  

A)  net  force  is  zero.  B)  net  force  and  net  torque  are  zero.  C)  no  translaFonal  moFon.  D)  no  rotaFon.    E)  no  translaFonal  moFon  and  no  rotaFon.    

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Reading  Quiz  13-­‐4  

•  What  is  the  version  of  Newton's  second  law  for  rotaFonal  moFon?  

A)  Στ  = I ω  B)  Στ  = I α  C)  Στ  = m α  D)  Στ  = ma  E)  Στ  = ½  I ω2      

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Reading  Quiz  13-­‐5  

•  What  is  angular  momentum?  

A)  L  = I ω  B)  L  = I α  C)  L  = m α  D)  L  = ma  E)  L  = ½  I ω2    

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Announcements  

•  No  reading  quiz  tomorrow  •  No  clicker  points,  but  we  might  have  clicker  review  quesFons.  

•  Homework  due  at  4pm  in  Evan’s  office  hours  – My  office  hour  at  noon,    – Evan’s  office  hours  2-­‐4  pm,    – Evan’s  review  session  5-­‐6  pm  

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CalculaFng  your  grade  •  Points  already  earned:  

–  0.35  x  (Final  quiz  grade)  –  0.2      x  (Homework  grade)  (all  of  them  are  out  of  3)  ≈  20%  –  0.1      x  (Reading  quiz  grade)    –  0.05  x  (Clicker  grade)    

•  Final  Grade  cutoffs  (that  might  be  lowered):  –  A  …  above  88%  –  B  …  above  75%  –  C  …  above  63%  –  D  …  above  50%      

•  Take  the  cutoff  that  you  want  to  reach,  subtract  points  already  earned,  divide  by  0.35  …  That  is  what  you  need  to  get  on  the  Final  to  guarantee  that  grade.  

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Anonymous  poll  

How  much  of  the  homework  assignment  have  you  been  gelng  correct?    A)  close  to  100%    B)  close  to  75%  C)  close  to  50%  D)  close  to  25%  E)  close  to  0%  

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Anonymous  poll  

How  much  of  the  extra  homework  assignment  have  you  been  trying?    A)  close  to  100%    B)  close  to  75%  C)  close  to  50%  D)  close  to  25%  E)  close  to  0%  

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•  In  general:  

•  Changes  when  you  you  consider  different  axes  of  rotaFon.  

•  Pre-­‐calculated  for  common  3D  objectsà  

Moments  of  InerFa  

mm r  r  

mm 2r  

I =�

i

miri2

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Clicker  quesFon  

There  are  two  baseball  bats  of  the  same  size  and  weight.  Bat  A  has  its  mass  concentrated  in  the  handle,  while  Bat  B  has  its  mass  concentrated  near  the  other  end.  Which  bat  will  have  the  larger  moment  of  inerFa?    A)  Bat  A    B)  Bat  B    C)  they  will  have  the  same  moment  of  inerFa  D)  not  enough  informaFon  

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Clicker  QuesFon  What  is  the  moment  of  inerFa?      A)  5/4  mL2  B)  9/4  mL2  C)  9/2  mL2  D)  5/2  mL2  E)  3/4  mL2     I =

i

miri2

2m  m L  L/3  

2m  L/2  

m

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•  TranslaFonal  KineFc  Energy:  

•  RotaFonal  KineFc  Energy:  

RotaFonal  KineFc  Energy  

KE =1

2mv2

KER =1

2Iω2

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Rolling  without  slipping  

•  TranslaFonal    velocity  is  equal  to  tangenFal  velocity!  

KER =1

2Ihoopω

2 =1

2(MR2)

� v

R

�2

Ihoop = MR2

ω =vTR

KEtot = KE +KER = Mv2

=v

R

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Rolling  without  slipping  

•  TranslaFonal    velocity  is  equal  to  tangenFal  velocity!  

ω =vTR

=v

R

Icylinder =1

2MR2

KER =1

2Icylinderω

2 =1

2

�1

2MR2

�� v

R

�2

KEtot = KE +KER =3

4Mv2

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Races  

If  the  hoop  and  the  sphere  have  the  same  mass  and  the  same  radius,  which  one  will  have  a  larger  final  velocity?  

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Clicker  quesFon  

•  A  solid  cylinder  and  a  hollow  cylinder  of  the  same  mass  and  radius  roll  down  an  incline.    Which  one  will  reach  the  bopom  first?  

A)  the  solid  one  B)  the  hollow  one  C)  both  will  reach  the  bopom  at  the  same  Fme      

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Rolling  down  a  ramp  

sliding  (no  fricFon)        rolling  (cylinder)          rolling  (hoop)    

mm  

PEg PEg PEg

KEPEgKE

PEg KERKE

PEgKER

KEKE KER KE KER

mm

m  

m  

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�F

�r

Torque  Axis  of  rotaFon  aka  pivot  point:  •  A  point  that  is  not  moving  relaFve  

to  the  rotaFon    Moment  arm:  •  A  vector  that  extends  from  the  

pivot  to  the  place  where  the  force  is  being  exerted.  

In  order  for  a  force  to  exert  a  torque  on  an  object:  •  Force  must  have  a  component  that  

is  perpendicular  to  the  moment  arm.      

�F

�r

�F⊥

�F

�r

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Math  review:  Cross  product  of  two  vectors  

•  Two  vectors  in  any  direcFon  (place  tail  to  tail)  •  Find  component  of              in  the  direcFon  perpendicular  to                  and  mulFply  by                .  

•  Tells  you  a  measure  of  how  much  two  vectors  lie  perpendicular  to  each  other  

•  Input:  Two  vectors  •  Output:  One  vector  

�A�B |B|

��� �A× �B��� = AB sin θ

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Max  Torque                                                                  

•     �F

�r

�F

�r

90o

�F

�r

�F⊥ �Fθ

�F

�r

θ

τ = −Fr

τ = 0

τ = +Fr sin θ

τ = +F⊥r

�F

�r

τ = 0

Zero  Torque                                                                  

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Newton’s  2nd  law  for  rotaFon  

•     �

τ = Iα

θ

�rA

�rB�B

�A

θ

�rA

�rB�B

�A

= −ArA+BrB sin(180− θ)

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RotaFonal  equilibrium  

•  When  pivot  point  is  not  fixed,  even  if  net  torque  is  zero,  you  can  get  translaFonal  moFon  when  there  is  a  net  force.  So  you  need  to  check  both.  

�τ = 0

�Fx = 0

�Fy = 0

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Plasorm  clicker  

The  forces  are  all  of  equal  magnitude.    Which  of  these  rods  are  in  equilibrium?        A)  rod  1  B)  rod  2  C)  rod  3  D)  none  of  them  

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Think  about  it…  

•  What  looks  wrong  with  this  photo?  

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Ladder  problem  •  Find  the  minimum  angle  that  the  ladder  can  make  with  the  floor  so  that  the  ladder  doesn’t  slip,  given  m,  L,  and  μs  between  the  ladder  and  the  ground.  

θ

mgfs

Nf

Nw

�Fx = Nw − fs

�Fy = Nf −mg

= 0

= 0

→ Nw = µsmg�

τ = +mg

�L

2

�cos θ

−µsmgL sin θ = 0

→ θ = tan−1

�1

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Think  about  it…  Which  hula  hoop  should  be  easier  to  use?    The  heavy  one  or  the  light  one?    

•  KineFc  fricFon  (in  rotaFon)  happens  when  hula  hoop  slips  against  my  clothes.    This  means  that  the  hoop  looses  rotaFonal  energy  over  Fme.  

•   I  can  move  my  hips  to  give  the  hoop  small  amounts  of  torque.  

•  The  heavy  hoop  has  more  rotaFonal  energy,  so  it  will  be  easier  to  keep  moving.  

•  The  faster  the  hoop  goes  à  the  more  centripetal  force  which  pushes  it  up  against  my  body  à  the  more  normal  force  it  feels  from  my  body  à  the  more  staFc  fricFon  is  keeping  it  from  sliding  down  

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Angular  momentum  •  RotaFonal  analogy  with  the  impulse  equaFon:  

•  Angular  momentum  

•  If  no  external  torques  on  a  rotaFonal  “collision”:  

L = Iω

∆L = τ∆t

∆L = 0

L =

�τdt =

�Iαdt →

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Angular  momentum  conservaFon  

If  angular  momentum  is  conserved  and  I changes  à  angular  velocity  must  change!      

∆L = 0L = Iω

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Example    

A  merry-­‐go-­‐round  (m  =  100kg,  r  =  2.00m)  spins  with  an  angular  velocity  of  2.50(rad/s).  A  monkey  (m  =  25.0kg)  hanging  from  a  nearby  tree,  drops  straight  down  onto  the  merry-­‐go-­‐round  at  a  point  0.500m  from  the  edge.  What  is  the  new  angular  velocity  of  the  merry-­‐go-­‐round?  

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Announcements  

•  No  reading  quiz  tomorrow  •  No  clicker  points,  but  we  might  have  clicker  review  quesFons.  

•  Homework  due  at  4pm  in  Evan’s  office  hours  – My  office  hour  at  noon,    – Evan’s  office  hours  2-­‐4  pm,    – Evan’s  review  session  5-­‐6  pm