Vorlesung 7: Roter Faden:

Ähnliche Dokumente
Vorlesung 4: Roter Faden:

Vorlesung 10+11: Roter Faden:

Vorlesung 2: Roter Faden: Newtonsche Axiome: 1. Trägheitsgesetz 2. Bewegungsgesetz F=ma 3. Aktion=-Reaktion

Formelsammlung: Physik I für Naturwissenschaftler

Vorlesung 18: Roter Faden:

Eine Kreis- oder Rotationsbewegung entsteht, wenn ein. M = Fr

Vorlesung 5: Roter Faden: Newtonsche Axiome: 1. Trägheitsgesetz 2. Bewegungsgesetz F=ma 3. Aktion=-Reaktion

4.9 Der starre Körper

Betrachtet man einen starren Körper so stellt man insgesamt sechs Freiheitsgrade der Bewegung

Physikalisches Praktikum M 7 Kreisel

M1 Maxwellsches Rad. 1. Grundlagen

Experimentalphysik 1

5 Kinematik der Rotation (Drehbewegungen) 6 Dynamik der Translation

Kinetik des starren Körpers

Formelsammlung: Physik I für Naturwissenschaftler

Spezialfall m 1 = m 2 und v 2 = 0

8.1 Gleichförmige Kreisbewegung 8.2 Drehung ausgedehnter Körper 8.3 Beziehung: Translation - Drehung 8.4 Vektornatur des Drehwinkels

Spezialfall m 1 = m 2 und v 2 = 0

1. Aufgabe: Impuls des Waggons beim Aufprall ist mit 1 2 mv2 = mgh und v = 2gh p = m v 1 = m 2gh

Physik I Übung 10 - Lösungshinweise

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Bewegung in Systemen mit mehreren Massenpunkten

(no title) Ingo Blechschmidt. 13. Juni 2005

3. Kreisbewegung. Punkte auf einem Rad Zahnräder, Getriebe Drehkran Turbinen, Hubschrauberrotor

Physik 1 für Chemiker und Biologen 7. Vorlesung

2. Beschleunigte Bezugssysteme, starrer Körper und Himmelsmechanik

Kapitel 2. Kinematik des Massenpunktes. 2.1 Einleitung. 2.2 Massenpunkt. 2.3 Ortsvektor

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Vorlesung Theoretische Mechanik

3. Impuls und Drall. Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.3-1

Klassische und Relativistische Mechanik

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Einführung in die Physik für Maschinenbauer

Versuch 04. Kreiselpräzession. Sommersemester Hauke Rohmeyer

Kreisbewegung Ein Bild sagt mehr als tausend Worte.

Allgemeine Bewegungsgleichung

v(t) = r(t) v(t) = a(t) = Die Kraft welche das Teilchen auf der Bahn hält muss entgegen dessen Trägheit wirken F = m a(t) E kin = m 2 v(t) 2

3. Kreisbewegung. Punkte auf einem Rad Zahnräder, Getriebe Drehkran Turbinen, Hubschrauberrotor

Drehbewegungen (Rotation)

Ludwig Maximilians Universität München Fakultät für Physik. Lösungsblatt 8. Übungen E1 Mechanik WS 2017/2018

Bewegung und Skelettmechanik

Klassische und Relativistische Mechanik

Blatt 1. Kinematik- Lösungsvorschlag

Stärkt Euch und bereitet Euch gut vor... Die Übungsaufgaben bitte in den nächsten Tagen (in Kleingruppen) durchrechnen! Am werden sie von Herrn

Physik 1 für Chemiker und Biologen 7. Vorlesung

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Experimentalphysik E1

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Allgemeine Mechanik. Via Hamilton-Gl.: Die Hamiltonfunktion ist (in Kugelkoordinaten mit Ursprung auf der Kegelspitze) p r. p r =

2.5 Dynamik der Drehbewegung

2.3.5 Dynamik der Drehbewegung

Naturwissenschaftliches Praktikum. Rotation. Versuch 1.1

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Klausur Physik I für Chemiker

Physik 1 für Ingenieure

Vorkurs Mathematik-Physik, Teil 8 c 2016 A. Kersch

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 01. Dezember 2016 HSD. Physik. Impuls

2. Vorlesung Wintersemester

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Physik 1 für Chemiker und Biologen 7. Vorlesung

Bei Wechselwirkung bleibt die Summe der Impulse erhalten:

Vektorrechnung in der Physik und Drehbewegungen

Anstelle der Geschwindigkeit v tritt die Winkelgeschwindigkeit ω, wobei

(a) Transformation auf die generalisierten Koordinaten (= Kugelkoordinaten): ẏ = l cos(θ) θ sin(ϕ) + l sin(θ) cos(ϕ) ϕ.

AUSWERTUNG: KREISEL. In diesem Versuch haben wir die Drehimpulserhaltung experimentell überprüft.

Welche der Darstellungen hat das oberflächlichste Niveau? ( ) A) ( ) B) ( ) C) ( ) D)

Physik 1 für Ingenieure

Versuch P2-71,74: Kreisel. Vorbereitung. Von Jan Oertlin und Ingo Medebach. 11. Mai Drehimpulserhaltung 2. 2 Freie Achse 2

Ferienkurs Experimentalphysik 1

Vorkurs Mathematik-Physik, Teil 8 c 2016 A. Kersch

F = + L. Bahndrehimpuls des Massenmittelpunktes abhängig von Bezugssystem. Drehimpuls in Bezug auf Massenmittelpunkt, Spin. ω 2. +ω 1.

Physik 1 Zusammenfassung

Experimentalphysik I: Mechanik

9 Teilchensysteme. 9.1 Schwerpunkt

Ferienkurs Experimentalphysik Übung 2 - Lösungsvorschlag

1. Grundlagen der ebenen Kinematik

FORMELSAMMLUNG PHYSIK. by Marcel Laube

Physikalisches Praktikum I Bachelor Physikalische Technik: Lasertechnik, Biomedizintechnik Prof. Dr. H.-Ch. Mertins, MSc. M.

Theoretische Physik: Mechanik

TEIL I: KINEMATIK. 1 Eindimensionale Bewegung. 1.1 Bewegungsfunktion und s-t-diagramm

Hier wurde die Jacobi-Determinante der ZylinderKoordinaten verwendet (det J = ρ). Wir führen zunächst die ρ-integration durch: (R 2 H sin 2 φ )

Tutorium Physik 2. Rotation

PN 1 Klausur Physik für Chemiker

6 Mechanik des Starren Körpers

Übungen Theoretische Physik I (Mechanik) Blatt 8 (Austeilung am: , Abgabe am )

Physik für Biologen und Zahnmediziner

11. Vorlesung Wintersemester

Vorbereitung: Kreisel. Christine Dörflinger und Frederik Mayer, Gruppe Do Mai 2012

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Energie und Energieerhaltung

Lehrstuhl für Technische Elektrophysik TU München

Schriftliche Vordiplomprüfung Physik

Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh - 04

Massenträgheitsmomente homogener Körper

Klassische Theoretische Physik I

Brückenkurs Physik SS11. V-Prof. Oda Becker

4.2 Drehimpulserhaltung

Aufgabe 1: Senkrechtkomponente [8] GegebensinddieVektoren a = (1,2,3) und b = (3,1,2). BerechnenSiedieKomponente a von a,die auf b senkrecht steht.

Transkript:

Vorlesung 7: Roter Faden: Beispiele für Kräfte: Gewichtskraft, Reibungskraft, Federkraft, Windkraft, Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft, Zentripetalkraft, Heute: weiter Zentripetalkraft Drehimpulserhaltung Exp. hängendes Rad, Schleuderpendel, Drehschemel 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 1

Inhalt 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 2

Inhalt 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 3

Zum Mitnehmen aus VL 6 Will man die Bewegungsebene beliebig angeben, ist es zweckmäßig, einen Vektor der Winkelgeschwindigkeit als Normalvektor dieser Ebene anzugeben, dessen Betrag ω=v/r ist. Da dieser Vektor senkrecht zu v und r steht, kann man ihn als Vektorprodukt schreiben: v=ω x r ω=1/r 2 (r x v) (da r x v = r x (ω x r)= r 2 ω) ω r v Experimentell stellt sich ω als nützliche dynamische Größe heraus. ω ist axialer Vektor (ändert Vorzeichen unter Spiegelung) Zentripetalkraft=ma=mω 2 r=mv 2 /r 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 4

Rotationsdynamik Bisher Kinematik, d.h. Beschreibung der Rotation durch Winkelgeschwindigkeit und Zentripetalbeschleunigung. Jetzt: Dynamik, d.h. Zusammenhang zwischen Kräfte and kinematische Größen Bewegungsgleichung (d.h. Gleichung für Rotation, die äquivalent zu F=dp/dt für lineare Bewegung ist) Erwartung: Rotation erzeugt durch Drehmoment M=r x F. Gilt auch M=dL/dt mit L=r x p? 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 5

Drehimpuls Definiere Drehimpuls als L= r x p = r x mv =m (r x v)= mr 2 ω = J ω. J=mr 2 heisst Massenträgheitsmoment. In Worten: Drehimpuls = Trägheitsmoment x Winkelgeschwindigkeit, ähnlich wie p = m v. Es gilt: dl/dt= d/dt (r x p) = dr/dt x p + r x dp/dt = v x mv + r x F = r x F = M M oder (D) ist ein Vektor, der Drehmoment genannt wird. Es gilt: M=dL/dt=d (J ω)/dt= J d ω/dt =J α ω=1/r 2 (r x v) M=r x F r v r F 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 6

Analogien 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 7

Beispiel Das Trägheitsmoment eines Turbinenrades beträgt 637 kg m 2. Es fängt an zu wehen und der Wind ruft ein Drehmoment von 147 Nm hervor. Wie lange dauert es bis eine Drehzahl von 320 min -1 erreicht wird? Lösung: Das Drehmoment M gibt eine Winkelbeschleunigung α=m/j. Die Anlaufzeit folgt aus ω = α t oder ω=2πf= α/t=m/jt oder t=2 πfj/m=2 πx 320x 637/(60 x147) kgm 2 /Nm=145 s 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 8

Zum Mitnehmen aus VL2: Kinematik=Beschreibung einer Bewegung durch Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung in Abhängigkeit der Zeit: x(t) v(t)= x(t) a(t)=v(t)=x(t) Jetzt:ϕ(t) ω(t)= ϕ(t) α(t)= ω(t)= ϕ(t) a=constant; v=v 0 +at; x=x 0 +v 0 t+1/2at 2 α =constant; ω = ω 0 + α t; ϕ = ϕ 0 + ω 0 t+1/2 α t 2 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 9

Drehimpulserhaltung M=dL/dt=d (J ω)/dt= J d ω/dt =J α = mr 2 dω/dt In Worten: Das Drehmoment ist gleich der zeitlichen Änderung des Drehimpulses. L=mr 2 ω ist der Betrag des Drehimpulses eines umlaufenden Massenpunktes (=J ω) Satz von der Erhaltung des Drehimpulses: Beim Fehlen äußerer Drehmomente bleibt die Summe der Drehimpulse eines abgeschlossenen Systems konstant. 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 10

Versuch Drehschemel Trägheitsmoment für einen spindeldürren Studenten: m i r 2 0. Gesamtträgheitsmoment dann J=2mr a2 =2.2.0.8 =2.56 kgm 2 Am Anfang: Drehimpuls L=J a ω a Nach Heranziehen der Kugeln: L=J e ω e. Bei Drehimpulserhaltung: ω e =ω a (J a/ J e )=ω a (r a /r e ) 2 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 11

Versuch Drehschemel 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 12

Präzessionsversuch Beobachtung: drehendes Rad fällt nicht, sondern dreht sich in horizontaler Ebene. D R Erklärung: Drehimpuls L hat Tendenz sich Drehmoment M parallel zu richten (wie Impuls p parallel F). Gewichtskraft übt Drehmoment in horizontaler Richtung aus und M=mgD=dL/dt schiebt L in horizontale Richtung! 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 13

Präzessionsfrequenz Ohne Drehung: M=mgx Derzeugt Drehimpuls in horizontaler Richtung, wodurch das Rad sich nach unten bewegt. Die Änderung des Drehimpulses bei einem drehenden Rad dl ändert Gesamtvektor L nach Parallelogramm-Regel (und es gilt auch L will sich in Richtung von M bewegen). Es gilt: M=dL/dt dl=ldϕ Oder: M=Ldϕ/dt Lω P L=mR 2 ω Rad dϕ L dl Oder: Präzessionsfrequenz= ω P =M/L=mgD/(mR 2 ω Rad ) =gd/(r 2 ω Rad ) 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 14

T r ϕ F r α F=mg g=(0,0,g) Steigung 2π/ g l Methnode um g zu messen Pendel als Drehbewegung Drehmoment M = r x F = dl/dt=d(r x p)/dt Oder -r x mg = d(r x mv)/dt =mrx dv/dt Oder -r x g = r x d(ω x r)/dt=r x (ω x r) Oder, da a x (b x c)= b (a.c) c (a.b), gilt -r x g = ω r 2 -r (r. ω) = ω r 2 (Scalarprodukt r. ω=0 da r ω(=α) Oder -lgsin ϕ =l 2 ϕ (ω = ϕ und sin ϕ = ϕ - ϕ 3 /(3!)+ ϕ) Lösung der Diff. Gleichung ϕ =-g/l ϕ : ϕ =Asin(ωt), da ϕ =-Aω 2 sin(ωt), oder Aω 2 sin(ωt)=ag/l sin(ωt), oder ω= g/l =2π/T. Schwingungsdauer T=2π (l/g) 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 15

Zum Mitnehmen ω=1/r 2 (r x v) M=r x F r v r F Bewegungsgleichungen für Translation: F=dp/dt Rotation: M=dL/dt Drehimpuls L=r x p =mr 2 ω=j ω 04 November 2003 Physik I, WS 03/04, Prof. W. de Boer 16