Kinetik von Starrkörpern
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- Tristan Koch
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1 15 Kinetik von Starrkörpern Kinetik von Starrkörpern
2 Kräftesatz Impulsbilanz Kräftesatz für Massepunkt angewandt auf infinitesimalen Starrkörper (beliebiger Bezugspunkt A) Wechselwirkungsgesetz (benachbarte Punkte P und P ) Kinetik von Starrkörpern 1
3 Kräftesatz Impulsbilanz Kräftesatz für gesamten Starrkörper Wähle Schwerpunkt S als Bezugspunkt, weil folgendes Integral darum verschwindet Kinetik von Starrkörpern 2
4 Kräftesatz Kräftesatz Impulsbilanz Mechanische Interpretation: Die Beschleunigung im Schwerpunkt verhält sich so, wie ein Massepunkt der Masse m, an welchem die Resultierende angreift. Anmerkungen: Resultierende setzt sich i.a. aus verschiedenen Lasten zusammen Volumetrisch verteilte Lasten Flächenhaft verteilte Lasten Einzellasten Kinetik von Starrkörpern 3
5 Drallsatz Einführung: ebene Probleme Ebenes Problem: Ohne Einschränkung der Allgemeinheit x-y-ebene Drallsatz für Massepunkt angewandt auf infinitesimalen Starrkörper (Bezugspunkt A) Integration beider Seiten der Gleichung Kinetik von Starrkörpern 4
6 Drallsatz Einführung: ebene Probleme Drallsatz für Gesamtsystem (Massenträgheitsmoment ) Sonderfall 1: Bezugspunkt A = Schwerpunkt Sonderfall 2: Bezugspunkt A = Raumfeste Drehachse Kinetik von Starrkörpern 5
7 Massenträgheitsmoment: ebene Probleme Massenträgheitsmoment im Polar-KOS und im kartesischem KOS; Dicke h Sonderfall: Konstante Dichteverteilung Vergleich mit Flächenträgheitsmomenten Transformation zwischen verschiedenen KOS Satz von Steiner Führungspunkt A ist der Schwerpunkt Kinetik von Starrkörpern 6
8 Massenträgheitsmoment: ebene Probleme Beispiele bezogen auf ihren Schwerpunkt Satz von Steiner (vgl. Flächenträgheitsmomente) Beispiel: Massenträgheitsmoment einer Rolle/Walze Beispiel: Rechteckscheibe Beispiel: Stab aus Limes der Rechteckscheibe Kinetik von Starrkörpern 7
9 Aus Band 3 Beispiel: Satz von Steiner Systembeschreibung: Rollende Walze Lösungswege Führungspunkt 1. Schwerpunkt 2. Berührungspunkt mit Fahrbahn Massenträgheitsmoment bezogen auf den Schwerpunkt (s. vorher) Massenträgheitsmoment bezogen auf den Berührungspunkt Kinetik von Starrkörpern 8
10 Aus Band 3 Beispiel: Drallsatz Systembeschreibung: Rollende Walze Lösungswege Führungspunkt 1. Schwerpunkt 2. Berührungspunkt mit Fahrbahn Lösungsweg 1 Gleichgewichtsbedingungen (Drallsatz um Schwerpunkt und Kräftesatz) Kinetik von Starrkörpern 9
11 Aus Band 3 Beispiel: Drallsatz Lösungsweg 1 (fortgesetzt) Gleichgewichtsbedingungen (resultierende Gleichung) Kinematische Annahme: Rollen (Haften und kein Rutschen) Einsetzen der Kinematik in Gleichgewichtsbedingung Lösungsweg 2 Gleichgewichtsbedingungen (Drallsatz um Momentanpol) Kinetik von Starrkörpern 10
12 Laufoptimierung von Rädern Fragestellung Zwei Walzen werden an einem Hang durch die Schwerkraft beschleunigt. Beide haben dieselbe Masse. Diese ist in der ersten homogen verteilt, die zweite ist hohl. Welche rollt den Hang schneller herunter? A die ausgefüllte B die hohle C beide gleich schnell vote at Kinetik von Starrkörpern 11
13 x/sin(α) [m] Laufoptimierung von Rädern Experiment Gruppe Weg [m] Zeit [s] Winkel [ ] x/sin(α) [m] I (voll) 0,80 1,09 11,80 3,91 II (voll) 0,69 1,24 9,86 4,03 III (voll) 0,74 0,84 25,00 1,74 IV (voll) V (hohl) 2,00 1,35 26,30 4,51 VI (hohl) 1,54 2,03 9,20 9,63 VII (hohl) 2,00 1,61 24,52 4,82 VIII (hohl) 2,00 1,85 14,92 7,77 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 t [s] voll hohl Weg mit 1/sin(α) multipliziert, um Einfluss von Erdbeschleunigung zu normieren Genutzte Materialien: (idealisierte Annahmen) Material R a [mm] R i [mm] L [mm] ρ [kg/m 3 ] m [kg] Θ s [kg mm 2 ] Rolle voll POM ,222 11,07 Rolle hohl Stahl ,236 21,34 Kinetik von Starrkörpern 12
14 Laufoptimierung von Rädern Theorie Kinetik von Starrkörpern 13
15 x/sin(α) [m] Laufoptimierung von Rädern Theorie & Experiment im Vergleich (Bewegungsfunktion) Aus vorherigem Beispiel und zweimaliger Zeitintegration: 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 voll hohl voll (Theorie) hohl (Theorie) 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 t [s] Kinetik von Starrkörpern 14
16 Arbeits- und Energiesatz Analog zum System mit n diskreten Massepunkten (Summation) gilt für den Starrkörper (Integration) der Arbeitssatz Für den Sonderfall konservativer Lasten folgt (Energiesatz) Umformung der kinetischen Energie Euler-Gleichung Kinetik von Starrkörpern 15
17 Arbeits- und Energiesatz Kinetische Energie Umformung der kinetischen Energie Euler-Gleichung Sonderfall I: Punkt A ist Momentanpol Sonderfall II: Punkt A ist Schwerpunkt (A=S) Kinetik von Starrkörpern 16
18 Arbeits- und Energiesatz Kinetische Energie Sonderfall: ebene Probleme Kinetische Energie Allgemeiner Fall Kinetische Energie ebene Probleme Sonderfall I: Punkt A ist Momentanpol (translatorische Geschwindigkeit = 0) Sonderfall II: Punkt A ist Schwerpunkt (A=S) Kinetik von Starrkörpern 17
19 Aus Band 3 Beispiel: Arbeits- und Energiesatz Systembeschreibung: Rollende Walze gesucht: Bewegungsgleichung Lösungswege Führungspunkt 1. Schwerpunkt 2. Berührungspunkt mit Fahrbahn Kinetische Energie Lösungsweg 1: Lösungsweg 2: Kinetik von Starrkörpern 18
20 Aus Band 3 Beispiel: Arbeits- und Energiesatz Potenzial der äußeren Kräfte Gesamtenergie ist somit unabhängig vom Bezugspunkt Anwendung des Energiesatzes Anmerkung: Die Aufteilung in translatorischen und rotatorischen Anteil ist abhängig vom Bezugspunkt. Die Summe der Anteile hingegen nicht! Kinetik von Starrkörpern 19
21 Zusammenfassung Kräftesatz im Schwerpunkt des Starrkörpers Drallsatz um Bezugspunkt A bzw. Schwerpunkt S Massenträgheit für konstante Dichteverteilung und Steiner-Anteile Kinetische Energie in Momentanpol bzw. Schwerpunkt für Energiesatz Kinetik von Starrkörpern 20
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