3.7 Physik auf einem Karussell

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1 Phsik auf einem Karussell Geradlinig gleichförmige Bewegung auf einer sich drehenden Plattform Im Abschnitt 1.1 untersuchten wir einen Körper, der sich reibungsfrei mit konstanter Geschwindigkeit in gerader Linie in einem Inertialsstem bewegte. Seine Bewegungungsgleichung war (t) = v t + (t o ). Heute wollen wir die gleiche Bewegung betrachten, aber in einem nichtinertialen Sstem, z.b. auf einem Karussell. Um die Reibung zu reduzieren, benutzen wir einen im Fachhandel käuflichen Puck, der auf CO -Gas schwebt. (Bekannt sind auch perforierte Metalltische, aus deren feinen Öffnungen CO - Gas strömt.) Wir werden ein derartiges Karussell benutzen, um einige Eperimente mit einem Puck durchzuführen. Die kreisförmige Plattform dreht sich in der horizontalen --Ebene mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit ω um seine z-achse. Der Vektor ω lautet dann ω = ω k. Auf dieser sich im Gegenuhrzeigersinn drehenden Plattform befestigen wir ein sich mitdrehendes, nichtinertiales, Koordinatensstem (,). Die Bewegung des Pucks verfolgt ein sich mitdrehender Beobachter mit einer Kamera Ein sich auβerhalb aufhaltender Beobachter sieht, dass sich der Puck entlang der Geraden X bewegt, die auf dem Boden befestigt ist. (X,Y,Z) ist ein inertiales Sstem. Der nichtinertiale Beobachter in (,) veranlasst den Puck, mit der Anfangsgeschwindigkeit v o über die Plattform zu gleiten, Start in (-R,0). Er bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Punkt (R,0). Der Beobachter in (,) kann den Puck in (R,0) in Empfang nehmen, falls die Zeit, t trans, die zum Durchqueren der Plattform benötigt wird, gleich T/ ist, wobei T die Periode der Drehung ist. Dies verlangt, dass v o = R/(T/) = R/T. Wenn die Geschwindigkeit v o kleiner als R/T sein sollte, wird der mitrotierende Beobachter umso kompliziertere Bewegungen sehen, je kleiner v o ist

2 3.7- Untersuchen wir die Bahnen für v o = R/(nT), mit n = 1,, 3...! Für eine Simulation mit MuPAD benutzen wir die Gleichungen (1) des Abschnitts 3..1 mit φ = ω t. Mit = 0, = v o t - R und v o = R/(nT) erhalten wir (t) = r(t) cos(ωt) (t) = -r(t) sen(ωt), (1) mit r(t) := (t/(nt) - 1)R; n = 1,, 3,... Wir wählen R = 10 n T = 1, was bedeutet, dass t trans = Sekunden ist Das folgende Programm zeigt die Bahn für n = : reset()://karussell mit Animation R:=10: n := : T:=1/n: w:=*pi/t: r:=t->(t/3-1)*r: :=t->r(t)*cos(w*t): :=t->-r(t)*sin(w*t): kurve:=plot::curved([(t),(t)],t=0..tma,tma = 0..): plot(kurve,scaling=constrained) (Man muss in MuPAD in den Graphen klicken, um die Animation zu sehen.) Fig

3 3.7-3 Mit der Funktion plot::scened erzeugen wir Graphen für verschiedene n- Werte, nämlich für n =1,, 5 und reset()://verschiedene Bahnen auf dem Karussell R:=10: werte_n:=[1,,5,]: T:=1/n: w:=*pi/t: r:=t->(t/3-1)*r: :=t->r(t)*cos(w*t): :=t->-r(t)*sin(w*t): kurven:=plot::scened(plot::curved(subs([(t),(t)], n=werte_n[i]),color=rgb::red,t=0..))$i=1..: plot(kurven,scaling=constrained) Fig. 3.7-

4 3.7- Wir sehen, dass die Bahnen offen sind, wenn n geradzahlig ist. Für ungerade n sind die Bahnen geschlossen. Ähnliche Bahnen wurden fotografiert und veröffentlicht von: Sten-Ross, A.- Ive, D.G. Frames of Reference revisited. Am. J. Phs. 0, Mit Bleistift und Papier In diesem Paragraphen werden wir die Bewegung des Pucks formal beschreiben. Wir gehen von der allgemeinen Gleichung () aus, die in Abschnitt 3.5 hergeleitet wurde. Wir sahen, dass a abs = a rel + ω v rel + ω (ω r) Das heiβt a rel = a abs - ω v rel - ω (ω r) (1) Im Falle des Pucks auf der Drehscheibe gibt es keine Wechselwirkung zwischen Puck und anderen Körpern (es gibt keine Reibung). Ein inertialer Beobachter miβt für den Puck v = konst., was bedeutet: a abs = 0. Die Coriolis Beschleunigung und die zentrifugale Beschleunigung sind a c = - ω v rel = ωv i - ωv j a cf = - ω (ω r) = ω i + ω j () Setzen wir diese Ausdrücke in Gleichung (1) ein, so erhalten wir zwei skalare Gleichungen: a = ωv + ω, a = -ωv + ω (3) Das sind die Gleichungen (9), die wir schon in 3..3 antrafen (wir schreiben keine Akzente). Wir wollen jetzt die Lösung dieses Sstems gekoppelter Differentialgleichungen finden.

5 3.7-5 Wir multiplizieren die zweite Gleichung mit i, und anschlieβend addieren wir beide Gleichungen. Auf diese Weise erhalten wir folgende gewöhnliche, lineare und homogene Differentialgleichung zweiter Ordnung: d z/dt + ω dz/dt i -ω z = 0 () (Wenn eine Differentialgleichung nur eine unabhängige Veränderliche enthält, so ist sie eine gewöhnliche DGl. Die Ordnung einer DGl. ist die höchste Ordnung der vorkommenden Ableitungen. Eine DGl. heiβt linear, wenn die Funktion und ihre Ableitungen linear in der DGl. vorkommen. d z/dt + ω dz/dt i -ω z = 0 wäre nicht linear. Die Lösung einer gewöhnlichen DGl. ist eine Funktion der unabhängigen Variablen, die die DGl. identisch erfüllt. Eine DGl. besitzt eine ganze Schar von Lösungen, nicht nur eine. Die allgemeinste Lösung heiβt allgemeine Lösung, eine andere Lösung wird partikulär genannt. Es ist zu beachten, dass nicht alle DGln. Lösungen besitzen. Es ist schwierig, eine Lösung für eine nichtlineare DGl. zu finden. Es gibt jedoch einige nichtlineare Gleichungen, die in lineare umgeformt werden können, z.b. die Gleichungen von Bernoulli und Riccati.) Das Beste, das wir tun können, um eine Lösung von Gleichung () zu finden, ist anzunehmen, dass sie von der Form z = e αt ist. Wenn wir dies tun, erhalten wir die folgende charakteristische Gleichung für α. α + ωα i - ω = (α + iω) = 0 (5) Diese Gleichung hat zwei gleiche Wurzeln: α 1 = α = 0. Das bedeutet, dass Gleichung () zwei unabhängige Lösungen besizt: z 1 (t) = e -iωt und z (t) = t e -iωt () Die allgemeine Lösung von () hat die Form: z(t) = c 1 e -iωt + c t e -iωt (7) Die Konstanten c 1 und c werden von den beiden Anfangsbedingungen z(0) und dz/dt t= 0, festgelegt: z(0) = (0) + i (0) = -R, das heiβt: c 1 = -R.

6 3.7- Wenn wir (7) ableiten, erhalten wir dz/dt t=0 = c +ωri, und wenn wir dies mit v(0) = v (0) + v (0) i vergleichen, ergibt sich c = v (0) und v (0) = ωr. Mit diesen Werten erhalten wir für die Bahn des Pucks die folgende Gleichung: z(t) = (-R + v (0) t) e -iωt (8) Die eulersche Gleichung liefert die folgende reale Gleichung für (8) (t) = (v (0) - R) cos(ωt) (t) = -(v (0)t - R) sen(ωt) (9) Mit diesen beiden Gleichungen haben wir die Bahn des Pucks im nichtinertialen Sstem (,) gefunden. Wenn wir das Eperiment derart durchführten, dass die Zeit zum Durchlaufen des Durchmessers der Drehscheibe ein ganzzahliges Vielfaches von T/ wäre, das heiβt wenn v (0) := v o = R/(nT), so ergäben sich erneut die Gleichungen (1). Diese Behandlung des Puck-Problems zeigte die Nützlichkeit der kompleen Zahlen in der Mechanik. Ich möchte daher noch einige Bemerkungen zu den kompleen Zahlen anfügen (in der Wikipedia habe ich über diesen Gegenstand einen einfachen Artikel geschrieben, vielleicht finden Sie ihn nützlich: Die eulersche Gleichung e iφ = cosφ + i sinφ mit φ:= ωt definiert eine komplee Funktion, in der ω eine reelle Zahl ist. Die Eponentialfunktion e iωt = cos ωt + i sin ωt hat folgende Eigenschaften (der Stern markiert die kunjugiert komplee Zahl) (e iωt ) * = e -iωt e iω 1 t e iω t = e i(ω 1 + ω ) t e iωt = 1 d/dt(e iωt ) = iω e iωt i t 1 i t e dt e C i Wir können allgemein eine komplee Funktion z() der reellen Variablen so definieren, dass sie die folgende Gestalt hat: z() = u() + i v(), worin u() und v() gewöhnliche reelle Funktionen sind.

7 3.7-7 Die komplee Funktion z() kann bezüglich des reellen Arguments abgeleitet und integriert werden. Die Regeln für diese Operationen sind ganz so, wie man es erwarten würde dz/d = du/d + i dv/d i t 1 i t e dt e C i Beachten Sie, dass die Ableitung von z() ebenfalls eine komplee Funktion von ist. Dagegen ist das zwischen a und b definierte bestimmte Integral von z() eine komplee Zahl. Man kann auch eine komplee Funktion w(z) einer kompleen Variablen z = + i definieren. Die Differentiations- und Integrationsregeln sind analog zum reellen Fall definiert.