Gruppenarbeit Federn, Kräfte und Vektoren

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1 1 Gruppenarbeit Federn, Kräfte und Vektoren Abzugeben bis Woche 10. Oktober Der geschätzte Zeitaufwand wird bei jeder Teilaufgabe mit Sternen angegeben. Je mehr Sterne eine Aufgabe besitzt, desto grösser ist der geschätzte Zeitaufwand. Dabei wird angenommen, dass man die früheren Aufgaben gelöst hat und die dort erhaltenen Programme resp. Methoden beherrscht. 1. Federkonstante ( ) Bestimmen sie die Verlängerung Ihrer Feder unter der Belastung durch verschiedene Gewichtssteine. Tragen sie die Daten grafisch auf und bestimmen sie die Federkonstante grafisch. Benutzen sie dazu das Federgesetz F = D(x x 0 ). Skizzieren sie dazu die Situation und zeichnen sie alle auftretenden Kräfte in die Skizze ein. 2. Bestimmen des Rollwiderstandes ( ) Betrachten sie einen Körper der sich auf einem Tisch unter dem Einfluss der Schwerkraft fortbewegt. Im Experiment lassen wir einen von links einfahrenden Wagen der Masse (m 1 ) durch verschiedene Lichtschranken fahren und messen die Geschwindigkeit des Wagens. Berechnen sie den Rollwiderstandskoeffizienten und die Anfangsgeschwindigkeit des Wagens indem sie v gegen t aufträgst 3. Vektoren Benutzen sie das Internet um die Addition von Vektoren und das Skalarprodukt zu studieren. (a) Addition von Vektoren ( ) BerechnensiedieSummederVektoren u = ( ux u y ) ( vx und v = v y ) Zeichnen sie in einer Skizze die Addition von u+ v und die Addition von v + u ein. Holen sie sich beim Dozenten für die nummerische Rechnung ein Beispiel. (b) Parallele Vektoren ( ) Ein Vektor w wird parallel zu s genannt, falls eine reelle Zahl t existiert, so dass w = t s gilt (t R). Skizzieren sie die Situation und geben sie die Komponenten des Vektors w explizit in Abhängigkeit des Vektors s in allgemeiner Form an.

2 2 (c) Skalarprodukt von 2 Vektoren Es existieren noch 2 verschiedene Multiplikationen von Vektoren. Es existiert das Skalarprodukt, welches wie der Name schon sagt, ein Skalar ergibt und das Vektorprodukt, welches auf einen Vektor führt. Wobei bei der Vektormultiplikation auch die Reihenfolge der Multiplikation eine Rolle spielt. Das Skalarprodukt von 2 Vektoren u und v, oft mit u v oder auch ( u, v) geschrieben, berechnet sich zu ( u, v) = u x v x +u y v y. Die Länge eines Vektors wird Betrag genannt. Man bezeichnet den Betrag mit und berechnet ihn nach Pythagoras u = u 2 x +u 2 y. Für einen 3 dimensionalen Raum besitzen die Vektoren 3 Komponenten und der Betrag errechnet sich analog zu der obigen Formel. i. Betrag eines Vektors ( ) Berechne das Skalarprodukt des Vektors u mit sich selber allgemein und stelle eine Beziehung zwischen dem Skalarprodukt und dem Betrag des Vektors u auf. ii. Linearität ( ) Zeige,dass die folgende Relation gilt: (α u+β v, w) = α( u, w)+β( v, w) iii. Winkel zwischen Vektoren ( ) Das Skalarprodukt kann geometrisch interpretiert werden und man erhält dabei, dass das Skalarprodukt gleich dem Produkt der beiden Beträge der beiden Vektoren multipliziert mit dem des Zwischenwinkels α zwischen diesen beiden Vektoren ist. ( u, v) = u v cos(α) Berechne mit Hilfe des Skalarproduktes die Winkel zwischen den Vektoren u, v und w. Hole dir dazu die Vektoren vom Dozenten. (d) Betrag der Summe von Vektoren ( ) Betrachten sie die Addition 2 beliebiger Vektoren c und d in einem 2dimensionalen Raum, was können sie über den Betrag der Summe c+ d aussagen? Tipp: Zeichnen sie die Vektoren auf ein Papier. (e) Betrag vom skalaren Produkt ( ) Berechnen sie allgemein den Betrag von t s. Geben sie das Resultat in Abhängigkeit des Betrages des Vektors s an.

3 3 (f) Bewegung( ) ( cos(ωt) Betrachte den Vektor c = 1 (1+t 2 ) sin(ωt) ) ( ) Zeichne als erstes für ein bestimmtes t diesen Vektor in ein 2D- Koordinatensystem und berechne den Winkel φ zwischen der positiven x Achse und dem Vektor. Zeichne als zweites die Bahn auf, was ist das in diesem Fall für eine Bewegung? Tipp: Berechne den Betrag des Vektors c. (g) Schwimmer ( ) Alle Berechnungen müssen hier mithilfe von Vektoren durchgeführt werden. Selbstverständlich muss man bei gewissen Zwischenschritten mit den Komponenten des Vektors rechnen. Zwei Personen Schwimmer machen ein Wettrennen resp. Wettschwimmen. Sie starten ( am) Ursprung des Koordinatensystems und möchten 90 den Punkt erreichen. Sie müssen dazu 2 Flüsse durchqueren. Das linke Ufer des ersten Flusses ist genau die y Achse und das 30 rechte Ufer dieses Flusses ist parallel zur y Achse und geht durch den Punkt x = 20 und y = 0. Das linke Ufer ( des 2. Flusses ) ist 60 1 in parametrischer Form (Parameter u 1 ) durch 100 u2 1 und u 1 80 das rechte Ufer (Parameter u 2 ) durch gegeben. Das Wasser fliesst im ersten Fluss in positiver y Richtung mit v F1 = 4m/s und im zweiten Fluss fliesst das Wasser in negativer y Richtung mit v F2 = 3m/s. Die beiden Wettkämpfer schwimmen mit einer Geschwindigkeit von 5m/s und rennen mit einer Geschwindigkeit von 10m/s. Wettkämpfer A wählt den Weg so, dass er bis nach dem 2. Fluss sich immer parallel zur x Achse bewegt. Danach rennt er auf dem schnellsten Weg in Richtung Ziel. Der Wettkämpfer B wählt seinen Weg hingegen so, dass er in den Flüssen immer genau in Richtung der x Achse schwimmt (Abtrieb nicht vergessen) und auf dem Land rennt er immer in Richtung vom Ziel. Wie lange benötigen die Wettkämpfer und welcher gewinnt? Anmerkung: Berechnet alles mit Hilfe von Vektoren. u 2 (h) Wie sie alle wissen beträgt die Gravitationskraft auf der Erde F G = m g, mit g = 9.81m/s 2. i. Beschleunigung( ) Wie gross ist die Beschleunigung auf dem Mond Phobos (m = kg, d = 20km)?

4 4 ii. Kräfte addieren( ) Berechne die Kraft auf einen Körper der Masse m = 3kg auf der Oberfläche von Phobos. Berücksichtige dabei die Gravitationskraft des Phobos (siehe Aufgabe oben) und von Mars (m = kg). Der Abstand (MMP zu MMP) beträgt 9378km. Vergleiche dazu die dem Mars zugewandte Seite mit dem Punkt auf dem Nordpol des Mondes. Bemerkung: Die Gravitationskraft von einem Körper 1 mit der Masse m 1 auf einen Körper 2 mit der Masse m 2 auf den Positionen r 1 und r 2 wird durch F m1 m2 = G ( r r 1 r r 2 ) gegeben. (i) Massenmittelpunkt ( ) Man betrachte nun das System Mars, Phobos ( und ) Deimos. Die Mars 6.6 befinde sich bei der Koordinate r M = m, der Phobos bei r P = m und der Deimos bei r D = m. Die Massen betragen m M = kg, m P = kg und diejenige von Deimos m D = kg. Berechne den Massenmittelpunkt r MMP! Ist dieser innerhalb oder ausserhalb von Mars? (Radius Mars= 6792km) r MMP = mm rm+md rd+mp rp m M+m D+m P 4. Federkombinationen (parallel)( ) Es wird vorausgesetzt, dass es sich hier um Federn handelt, die dem Federgesetz F = Dx mit D=konstant gehorchen. Ein Federsystem besteht aus n seriellen verschiedenen Federn mit den Federkonstanten D. Wie gross ist die Federkonstante des Systems? Zeichnen sie eine Skizze mit den Kraftvektoren und berechnen sie die Summe. Machen zum Abschluss das Experiment mit 2 Federn vergleichen sie ob das Resultat stimmt.

5 5 5. Kräfte Hängen sie die Masse mittels einer Schnur an die zwei Federn im Abstand s. (a) Hängen sie die Masse so an die Federn, dass beide Federn gleich stark belastet werden. Bestimmen sie nun mittels der Kräfte auf den Federn, der Höhe h und dem Abstand der beiden Aufhängepunkte s, die Masse des Klotzes m. Messt dazu die Kräfte auf die Federn, die Höhe h und s. Skizziert auch hier das Experiment und zeichnet die auftretenden Kräfte in die Skizze ein. ( ) (b) Hängt nun 2 verschiedene Massen an verschiedenen Punkten an die Schnur und messen sie mithilfe der Federn die Kräfte auf die Aufhängung. Berechnen sie die Kräfte auf die Verbindungsschnur. ( ) Hinweis: Hier müsst ihr alle grössen, wie Abstand, Höhe messen!