M04. Stoß-Prozesse. Stoß-Beispiele sind Billard-, Tennis- oder Fußballstöße sowie Auto-Unfallversuche.

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1 M04 Physikalisches Praktik Stoß-Prozesse Drch Erzegng elastischer bzw. nelastischer echanischer Stöße zweier Gleiter af einer Lftkissenbahn sollen die Energie- nd die Iplserhaltng experientell nterscht werden.. Theoretische Grndlagen Bei eine Stoßprozess berühren sich zwei (oder ach ehrere) Körper krzzeitig nter Änderng ihres jeweiligen Bewegngszstands (Bild it, bzw., Geschwindigkeiten or bzw. nach de Stoß des Körpers it de Körper). Kennzeichnend ist die Einaligkeit nd die i Vergleich zr gesaten Beobachtngsdaer krze Kontaktzeit der beteiligten Körper. In dieser Wechselwirkngszeit treten erhältnisäßig große Kräfte af. Die Bewegng wenigstens eines der beteiligten Körper ändert sich abrpt. Stoß-Beispiele sind Billard-, Tennis- oder Fßballstöße sowie Ato-Unfallersche. Bild: Zeitlicher Verlaf des Stoßes zweier elastischer Körper Stoßprozesse treten ach bei atoaren Vorgängen af. Bei Zsaenstößen zwischen Atoen nd Molekülen treten an die Stelle der elastischen Kräfte der Mechanik elektrostatische Wechselwirkngskräfte. Eine Klassifikation der Stöße zwischen akroskopischen Körpern lässt sich nach den Änderngen der Kinetischen Energie der Stoßpartner treffen. Bild zeigt eine Übersicht Gerade Stoßart Schiefe Stoßart Zentrale Stoßart Die Bahnen beider Schwerpnkte liegen af einer Geraden. Die Bahnen beider Schwerpnkte liegen in einer Ebene nd schließen einen Winkel ein. Die Schwerpnkte der Stoßpartner liegen af der Noralen zr Berührngsebene drch den Berührngspnkt (Stoßnorale) Exzentrische Stoßart Die Schwerpnkte liegen nicht af der Stoßnoralen. Es tritt Rotation af. Elastische Stoßart Inelastische Stoßart Unelastische Stoßart Die Sen der kinetischen Energien or nd nach de Stoß sind gleich. Die Sen der kinetischen Energien or nd nach de Stoß sind erschieden. Die Körper bewegen sich nach de Stoß it gleicher Endgeschwindigkeit geeinsa weiter. 06 Bild: Klassifikation der Stoßprozesse

2 Physikalisches Praktik - -. Gerader, zentraler, elastischer Stoß Für ein Zeitinterall krz or nd krz nach de Stoß sind die Änderngen der potentiellen Energien der Stoßpartner nd die Reibngserlste ernachlässigbar gegenüber den kinetischen Energien; für den Stoßzeitra ist das Syste abgeschlossen nd ohne Einwirkng äßerer Kräfte. Zwischen den Geschwindigkeiten der Stoßpartner or de Stoß sowie nd nach de Stoß sowie besteht nach de Iplserhaltngssatz der Zsaenhang (a) Die Vektoren können algebraisch addiert werden, weil der gerade zentrale Stoß eindiensional ist: (b) Die zweite Bestingsgleichng ist der Energieerhaltngssatz: (a) Drch Uforng on Gleichng (a) ergibt sich (b) nd nach einsetzen on Gleichng (b) (3) Vo Körper as gesehen, bewegt sich der Körper nach de Stoß it derselben Relatigeschwindigkeit weg, it der er or de Stoß af den Körper zgelafen ist. Setzt an Gleichng (3) in Gleichng (b) ein, so führt dies af die Bestingsgleichngen für die Geschwindigkeiten nach de Stoß: (4) (5) As Gleichng (5) geht heror, dass der Körper an Geschwindigkeit gewinnt nd der Körper Geschwindigkeit erliert, wie dies ach as Bild z folgern ist.. Gerader, zentraler, inelastischer Stoß Geht bei Stoßorgang kinetische Energie beispielsweise drch Reibng- oder inelastische Verforngsarbeit erloren, dann ss der allgeeine Energiesatz zr Berechnng der Geschwindigkeiten nach de Stoß herangezogen nd der Energieerlst E berücksichtigt werden:

3 Physikalisches Praktik E. (6) Zsätzlich z Iplserhaltngssatz nach Gleichng () ist eine weitere Bestingsgleichng notwendig, die Geschwindigkeiten nd nach de Stoß nd den Energieerlst E berechnen z können. Ein spezieller inelastischer Stoßprozess ist der nelastische Stoß, bei de die beiden Körper iteinander erkoppelt werden nd sich nach de Stoß it der geeinsaen Geschwindigkeit (7) bewegen. Der Iplserhaltngssatz des nelastischen Stoßes latet ( ) ; daras folgt (8) Wird Gleichng (8) in Gleichng (6) eingesetzt, ergibt sich der Energieerlst E bei nelastischen Stoß z E (9) nelastisch ( ). Wird ein rhender Körper gleicher Masse ( ) nelastisch gestoßen, so geht nach Gleichng (9) gena die Hälfte der kinetischen Energie als Verforngsarbeit erloren..3 Messprinzip Für die Bearbeitng der gestellten Messafgaben werden zwei Gleiter erwendet, die sich nahez reibngsfrei af der Lftkissenfahrbahn bewegen können. Die Registrierng der Bewegngen erfolgt drch Zeitessngen zweier Lichtschranken. Es werden daz die Drchgangszeiten der Markierngsfahnen erfasst, die af die Gleiter afgesteckt sind. Die geessenen Zeiten werden dann über das PC-Messsyste CassyLab asgewertet nd Geschwindigkeiten, Iplse sowie kinetische Energien der Gleiter berechnet.. Versch. Vorbetrachtng Afgabe : Beide Gleiter der Lftkissenbahn (Versch M04) fahren zr selben Zeit los nd bewegen sich it einer gleichförigen Bewegng aber nterschiedlichen Geschwindigkeiten af einander z. Leiten Sie as diese Zsaenhang die Gleichng für die Berechnng der Stoßereigniszeit t E her. Afgabe : Ein Güterwagen der Masse 6t fährt it der Geschwindigkeit 8 k/h af einen rhenden Güterwagen der Masse 0t af nd kppelt dabei an, so dass beide Wagen it gleicher Geschwindigkeit Bild3: or de Stoß - nach de Stoß weiterfahren. U welchen Betrag hat sich die kinetische Energie beider Wagen geändert? - 3 -

4 Physikalisches Praktik. Verschsdrchführng.. Verwendete Geräte Lftkissenbahn it Gebläse, Gleiter it Fahnen (5c), Zsatzgewichte, afsteckbare Prallagnete, afsteckbare Rndfederpffer, afsteckbare Klettbandpffer, Lichtschranken, Halteagnete it Statisyste, Ubolngsbox, Cassy-Box, PC it Drcker nd Software Cassy, 3 Labornetzteile... Verschshinweise Afgabe : Jstierng der Fahrbahn Überprüfen Sie die Jstierng der Fahrbahn (ob waagerecht) nd achen Sie sich it der Messanordnng ertrat. Die Einstellng der Horizontalen der Fahrbahn erfolgt it den Jstierschraben a Fahrbahngestell. Diese Jstage ist dann abgeschlossen, wenn der Gleiter bei eingeschaltete Gebläse (Stfe ) sich nicht ehr allein on der Mitte weg in Bewegng setzt. (Die erreichbare Messgenaigkeit hängt stark on dieser Jstierng ab.) Die optiale Lftförderenge hängt stark on der Masse des erwendeten Gleiters ab. Sie kann a Gebläse ariiert werden. Beachten Sie, je größer die Gleitasse ist, so größer ss der Volenstro des Gebläses gewählt werden. Bild4: Verschsafba Hinweis: Die zr Bedienng des PC-Messsystes benötigte Anleitng finden Sie a Praktiksplatz. Afgabe : Unterschngen z zentralen, elastischen Stoß Unterschen Sie folgende Stoßarianten: a) ; 0 ( U U 6V) b) < ; 0 ( U U 6V ; it Zsatzgewichten) c) ; 0, 0 ( U 6V; U 0) d) < ; 0, 0 ( U 6V; U 0 ; it Zsatzgewichten) - 4 -

5 Physikalisches Praktik Überprüfen Sie folgendes: ob Lichtschranke bei ca. 70c bzw. Lichtschranke bei ca. 30c befestigen ist (resltierende Messstrecke beträgt 60c), ob die Kabel zwischen den Lichtschranken nd der Cassy-Anschlss-Box erbnden sind, (Eingang E on Lichtschranke, Eingang F on Lichtschranke ), ob die Upolngsbox korrekt it den Halteagneten nd den Netzteilen erbnden ist ob af jeden der beiden Gleitern die Fahnen (oben), die zwei Rndfedern (Stoßseite) nd die zwei Magnetprallplatten (abgewandte Stoßseite) befestigt sind, ob der Gebläseregler af Stellng steht (für gesaten Versch konstant halten). Stellen Sie an den Netzteilen folgende Spannngen ein: Netzteil Betriebsspannng Upolngsbox U 0V, Netzteile Betriebsspannng Halteagnete U 6V. Bestien Sie die Masse der beiden Gleiter (koplett it Fahne nd Rndfederpffer) nd der Zsatzgewichte. Führen Sie je dreial die Messng nach den Vorgaben der Stoßarianten drch. Zeichnen Sie die geessenen Werte it PC- CassyLab Messsyste af nd drcken Sie diese as. Afgabe 3: Unterschngen z zentralen, nelastischen Stoß Nehen Sie die Rndfederpffer on den Gleitern ab nd ersetzen Sie diese drch die Klettbandpffer. Führen Sie die Messngen analog zr Afgabe drch. a) ; 0 ( U U 30V) b) < ; 0 ( U U 30V ; it Zsatzgewichten) c) ; 0, 0 ( U 30V; U 0) d) < ; 0, 0 ( U 30V; U 0 ; it Zsatzgewichten) e) > ; 0, 0 ( U 30V; U 0 ; it Zsatzgewichten).3 Verschsaswertng Afgabe : Für eine erfolgreiche Verschsdrchführng ist eine gewissenhafte Jstage der Anlage absolt notwendig. Afgabe nd 3: Unterschngen aller 4 Fälle z zentralen, elastischen bzw. nelastischen Stoß Bestien Sie as den erstellten Messprotokollen tabellarisch die Mittelwerte der Geschwindigkeiten, der Iplse (sowie Se as p p' ) nd der kinetischen Energien (sowie Se E E' ) or nd nach eine Stoß. Rechnen Sie stichprobenartig die Werte nter Verwendng der Gleichngen() bis (5) nach nd disktieren Sie die Ergebnisse. Berechnen Sie die Stoßereigniszeiten t E nach de Aslösen der Gleiter nd die Gesatesszeit t (ges) nd t (ges) für beide Gleiter. Weisen Sie die Erhaltngssätze on Ipls nd Energie nach

6 Physikalisches Praktik Schätzen Sie Abweichngen nter Berücksichtigng aftretender Messabweichngen ab nd disktieren Sie die Ergebnisse. Stellen Sie tabellarisch für alle Messwerte (Afgabe nd 3) bei 0 die Energieabnahe ( E/E) z Massenerhältnis ( / ) gegenüber. Und disktieren Sie das Ergebnis. 3. Ergänzngen In der Ato- nd Kernphysik werden Stoßorgänge als Streng bezeichnet. Ein großer Teil der Erkenntnisse über den Afba ikroskopischer Strktren (Atokern nd hülle, Moleküle, Festkörper) stat as Streerschen. So lassen sich as der Winkel- nd Energieerteilng der gestreten Teilchen qantitatie Assagen über die Wechselwirkngen ableiten