Zur Erinnerung. Kepler Gesetze. Stichworte aus der 6. Vorlesung: Effektives Potential. Planetenbewegung. Inertialsysteme. Galilei-Transformation
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- Jörg Holtzer
- vor 7 Jahren
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1 Zur rinnerung Stichworte us der 6. Vorlesung: Kepler Gesetze ffekties Potentil Plnetenbewegung Inertilsysteme Glilei-Trnsformtion Bewegte Bezugssysteme: Scheinkräfte gleichförmig beschleunigt Linerbewegung Trägheitskrft xperimentlphysik I SS
2 otierende Bezugssysteme uhende Körper: Zentrifuglkrft F ZF Bewegte Körper: Corioliskrft F C Stufenweise Betrchtung: 1. Beobchtungen,. einfche rklärung, 3. weitere Versuche, 4. mthemtische Drstellung xperimentlphysik I SS
3 Scheinkrft bei der Kreisbewegung Beschleunigte Bewegung, d d const. Z ber const. dt Zentripetlbeschleunigung: und Zentripetlkrft F Z Z r m Z m r Zentrifuglkrft F ZF : otierende Msse n Schnur betrchtet: F Z = Spnnkrft der Schnur om ruhenden Beobchter us gesehen (K): P bewegt sich uf Kreisbhn beschleunigte Bewegung, F Z 0 Aber om mit P bewegten Beobchter us gesehen (K in P ernkert): sttionäre Sitution, keine Abstndsänderung dr dt!! 0 F 0 F F 0 i ZP ZF xperimentlphysik I SS
4 Zentrifuglkrft Die Zentrifuglkrft F ZF muss Beobchter in K (bewegtes System) ls Scheinkrft deshlb einführen, weil er - in K ruhend - die ottion seines Bezugssystems nicht berücksichtigt. Beobchter in K : im sttionären Zustnd erkennt er: er schließt drus: er merkt ber: dr 0 dt F i 0 F ZP 0 Zentrifuglkrft: lso schließt er: F?? FZP 0 F?? FZF FZP xperimentlphysik I SS
5 Zentrifuglkrft Wrum ist die Zentrifuglkrft ein Scheinkrft? z. B.: eine n einem Fden rotierende Kugel der Msse m Beobchtet on ußen: Kreisbewegung = beschleunigte Bewegung Zentripetlkrft = Fdenspnnung Beobchtet om (drehenden = beschleunigten) System (uf der Kugel ernkert): Keine Bewegung der Msse m, or llem KIN Änderung des Abstnds dr dt 0 Forderung d r dt 0 F 0 F zentrifugl = - F zentripetl dnn (und nur dnn): F i i 0 xperimentlphysik I SS
6 Zentrifuglkrft und Grittionskrft Konsequenzen für die Grittionsbeschleunigung durch ottion der rde: r ZF (r, ) g g eff xperimentlphysik I SS
7 Zentrifuglkrft und Grittionskrft Konsequenzen für die Grittionsbeschleunigung durch ottion der rde: An den Polen: F ZF = 0 Betrg und ichtung on F G bzw. g nicht beeinflusst Am Äqutor: FZF F G Betrg (ber nicht die ichtung) geändert In Kiserslutern: Betrg und ichtung geändert xperimentlphysik I SS
8 Zentrifuglkrft und Grittionskrft influß der rdrottion uf die Größe on g: In Zeichnung: Größe on ZF strk übertrieben ZF (Äqutor) = ω = [m/s] (π/tg) [1/s] 1 Tg = s ZF (Äqutor) = [m/s ] g = 9.81 [m/s ] ZF (K l) = ZF (Äqutor) sin 49.5 = [m/s ] ZF (Pol) = ZF (Äqutor) sin 0 = 0 [m/s] rdbeschleunigung g m Äqutor kleiner (%-ffekt) ls n den Polen, d () reduziert durch Zentrifuglkrft und (b) Abstnd om rdmittelpunkt größer (wegen rdbplttung) xperimentlphysik I SS
9 Zentrifuglkrft und Grittionskrft Zentrifuglkräfte uf der rde: ZF,Pol (r, ) = 0 g Pol r g ZF (r, ) g eff g Äq ZF,Äq. (r, ) xperimentlphysik I SS
10 Zentrifuge Prinzip: äumliche Trennung on Mteril unterschiedlicher Dichte durch Zentrifuglkräfte. F ZF mr Mteril 1 Zentrifuglkrft uf Msse im Volumenelement dv: Mteril 1: Mteril df ZF dv r m df ZF 1 dv r Mteril : df ZF dv r Wenn 1 dnn dfz 1 dfz Mteril höherer Dichte wird nch ußen gedrängt. xperimentlphysik I SS
11 xperimentlphysik I SS Zentripetlkrft: Physiklische Ursche für F ZP : 1. Fluchtgeschwindigkeit:. Stellitenbhn r r F r r ZP ˆ ˆ ˆ m m m m m 0 ˆ r F ZF m g M G m mm G mm G m mm G S S S S ZF ZP ZP ZP ZP ) ( ) ( ) ( ) ( ˆ ) ( F F F g F r F Kreisbhn 1 11, kms g S
12 Corioliskrft Definition: Anschuliche rklärung:. Scheinkrft uf bewegte Objekte in rotierendem Bezugssystem. ollende Kugel uf drehender Scheibe: 1.ottion,. rdile Bewegung, 3. erwrteter inschlg bei P 1, 4. beobchteter inschlg bei P dr dt Wegdifferenz: s P1 ( t t), P ( t t) Geschwindigkeit tngentil: u ( r r), u1 r Wegstrecke tngentil: s ( r r t s1 ) r t xperimentlphysik I SS
13 Corioliskrft. In der Zeit t zurückgelegter tngentiler Weg: s rt ct!! 1 Newton!! Coriolisbeschleunigung: C r t Mit ichtungsbeziehungen: dr dt C ω Corioliskrft (ektoriell): FC mω xperimentlphysik I SS
14 Corioliskrft Spuren on ebenem Pendel uf rotierender Scheibe:. Von der (rotierenden) Scheibe us gesehen, erscheint die Pendelbewegung (im ruhenden System in einer bene blufend) ls Bewegung längs einer gekrümmten Bhn xperimentlphysik I SS
15 ichtungsbeziehungen Corioliskrft:. C ω FC mω Zentrifuglkrft: ZF ZF ZF ω ω r ω r ω ω r F ZF m r xperimentlphysik I SS
16 Dire rde ls rotierendes Bezugssystem bene. prllel zur Oberfläche betrchtet (z.b. Stndfläche im Hörsl) Vektorielle Zerlegung on : t s s Drehung der Oberfläche um die Achse rdmittelpunkt -- Mittelpunkt der bene (diese Drehung erntwortlich für Coriolis-Krft) Zentrifuglkrft: t Drehung der Oberfläche um eine Achse senkrecht zu s (diese Drehung erntwortlich für Zentrifugl-Krft) Am Nordpol: Am Äqutor: t 0 F 0 ZF s 0 F 0 C xperimentlphysik I SS
17 Zerlegung der Drehung in Komponenten m Punkt P: Komponenten der Winkelgeschwindigkeit Tngentil-bene T in P (n Oberfläche der rde) S S = Drehung um Achse T t S zu jedem Zeitpunkt muss gelten: S + t = xperimentlphysik I SS
18 Foucult-Pendel Nchweis der rddrehung: typische Zhlenwerte zum Versuch im Hörsl: Gewicht der Kugel 14 kg, Länge des Strhldrhtes: c. 10 m Abstnd uhelge - Wnd: 440 cm, Drehgeschwindigkeit α der Schwingungsebene 0-5 cm/30 Min. bzw. 11 /Stunde m Pol würde mn beobchten: 360 /4 Std oder 15 /Stunde us dα/dt knn Breitengrd ermittelt werden xperimentlphysik I SS
19 xperimentlphysik I SS Corioliskrft Abweichung on grdliniger Strömung: Zhlenbeispiel: Windgeschwindigkeit: m s t s m s t s s t ms g ms s s s m h km C C Nordpol 1, , 60 9, , / 5 /
20 Corioliskrft Wolkenbildung bei einem extremen Tiefdruckgebiet (Hurrikn): xperimentlphysik I SS
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