Lösung Serie 3 (Modellieren (SIMULINK + MATLAB))

Ähnliche Dokumente
Lösung Übungsserie 7 (Bewegungen auf Bahnkurven in SIMULINK modellieren)

Formelsammlung: Physik I für Naturwissenschaftler

M1 Maxwellsches Rad. 1. Grundlagen

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Grundlagen Arbeit & Energie Translation & Rotation Erhaltungssätze Gravitation Reibung Hydrodynamik. Physik: Mechanik. Daniel Kraft. 2.

Klausur Technische Mechanik C

TECHNISCHE MECHANIK III (DYNAMIK)

Übung zu Mechanik 3 Seite 36

Kinetik des Massenpunktes

Physik 1 Zusammenfassung

9 Periodische Bewegungen

2. Lagrange-Gleichungen

Blatt Musterlösung Seite 1. Aufgabe 1: Schwingender Stab

2.4 Fall, Wurf und Federkräfte

9. Periodische Bewegungen

Theoretische Mechanik

Name: Gruppe: Matrikel-Nummer: Aufgabe Punkte

Blatt 1. Kinematik- Lösungsvorschlag

Übung zu Mechanik 3 Seite 48

Arbeitsblatt Arbeit und Energie

2.0 Dynamik Kraft & Bewegung

Übungen zu Lagrange-Formalismus und kleinen Schwingungen

3.2 Das physikalische Pendel (Körperpendel)

Musterlösung 2. Klausur Physik für Maschinenbauer

Experimentalphysik I: Mechanik

Aufgabe Max.Pkt. Punkte Visum 1 Visum Total 60

5. Übungsblatt zur VL Einführung in die Klassische Mechanik und Wärmelehre Modul P1a, 1. FS BPh 10. November 2009

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

3. Erhaltungsgrößen und die Newton schen Axiome

1. Bewegungsgleichung

9. Übungsblatt zur VL Einführung in die Klassische Mechanik und Wärmelehre Modul P1a, 1. FS BPh 8. Dezember 2009

2. Physikalisches Pendel

Versuch P1-20 Pendel Vorbereitung

Spezialfall m 1 = m 2 und v 2 = 0

Physik 1 VNT Aufgabenblatt 8 5. Übung (50. KW)

Arbeit und Energie. Brückenkurs, 4. Tag

F H. Um einen Körper zu beschleunigen, müssen Körper aus der Umgebung ihn einwirken. Man sagt die Umgebung wirkt auf ihn Kräfte aus.

Schwingungen, Impuls und Energie, Harmonische Schwingung, Pendel

Physik I Musterlösung 2

5. Arbeit und Energie

Probeklausur zur Theoretischen Physik I: Mechanik

TEIL 1 (ohne Rechner)

1. Bewegungsgleichung

04/02/13. Matrikelnummer: Folgende Angaben sind freiwillig: Name, Vorname: Studiengang: Hinweise:

Hochschule Karlsruhe Technische Mechanik Statik. Aufgaben zur Statik

Theoretische Physik I: Weihnachtszettel Michael Czopnik

Physik III im Studiengang Elektrotechnik

Formelsammlung: Physik I für Naturwissenschaftler

Übungen zu Theoretische Physik I - Mechanik im Sommersemester 2013 Blatt 7 vom Abgabe:

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

Weitere Beispiele zu harmonischen Schwingungen

5 Schwingungen und Wellen

Vordiplomsklausur Physik

Probeklausur PHYS1100 Grundkurs I (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt)

Physik GK ph1, 2. KA Kreisbew., Schwingungen und Wellen Lösung

Übungen zu Lagrange-Formalismus und kleinen Schwingungen

Impuls/Kraft als Vektor, Impulsbilanz/Grundgesetz, Reibung

9 Teilchensysteme. 9.1 Schwerpunkt

Cusanus-Gymnasium Wittlich. Physik Schwingungen. Fachlehrer : W.Zimmer. Definition

Allgemeine Bewegungsgleichung

10. Versuch: Schiefe Ebene

Klausur Technische Mechanik C

PN1 Einführung in die Physik für Chemiker 1 Prof. J. Lipfert

Übungsaufgaben Physik II

Mechanik. Entwicklung der Mechanik

Harmonische Schwingungen

5. Arbeit und Energie

Prüfungshinweise Physik. 1. Prüfungstermine: 2. Bearbeitungszeit: 3. Anzahl und Art der Aufgaben: 4. Zugelassene Hilfsmittel:

Kinetik des starren Körpers

Mathematische Methoden in den Ingenieurwissenschaften 1. Übungsblatt

Aufrechterhaltung der Energie im Betrieb Kraft und Arbeitsmaschinen Physikalische Grundlagen. Wolfgang Weiß

Arbeitsblatt Funktionen

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Formelsammlung. Physik. [F] = kg m s 2 = N (Newton) v = ṡ = ds dt. [v] = m/s. a = v = s = d2 s dt 2 [s] = m/s 2. v = a t.

Physik LK 11, 3. Klausur Schwingungen und Wellen Lösung

TEIL 1 (ohne Rechner)

Theoretische Physik I Mechanik Blatt 1

Ferienkurs Experimentalphysik Übung 2 - Lösungsvorschlag

Massenträgheitsmomente homogener Körper

Pendel. Versuch: P Vorbereitung - Inhaltsverzeichnis. Physikalisches Anfängerpraktikum 1 Wintersemester 2005/06 Julian Merkert ( )

EXPERIMENTALPHYSIK I - 4. Übungsblatt

Übungsblatt 3 ( ) mit Lösungen

Probestudium der Physik 2011/12

F r = m v2 r. Bewegt sich der Körper mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit ω = 2π, T

Vorlesung Physik für Pharmazeuten und Biologen

Einführung in die Physik

Blatt 03.1: Scheinkräfte

Dynamische Lasten. 1. Kraft- und Weganregung 2. Deterministische Lasten. 3. Stochastische Lasten

Übungen zur Vorlesung PN1 Lösung zu Blatt 5

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

Physik 1 Hydrologen/VNT, WS 2014/15 Lösungen Aufgabenblatt 8. Feder )

Grundwissen Physik 8. Klasse Schuljahr 2011/12

5.4. KINETISCHE ENERGIE EINES STARREN KÖRPERS 203. Abbildung 5.12: Koordinaten zur Berechnung der kinetischen Energie (siehe Diskussion im Text)

Klassische Theoretische Physik II (Theorie B) Sommersemester 2016

Energie und Energieerhaltung

14. Mechanische Schwingungen und Wellen

Transkript:

Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW Hochschule für Technik Institut für Geistes- und Naturwissenschaft Lösung Serie 3 (Modellieren (SIMULINK + MATLAB Dozent: Roger Burkhardt Klasse: Studiengang ST Büro: 4.613 Semester: 1. Aufgabe Auf eine Masse (m = 0kg, v(0 = 0 m wirkt die Antriebskraft: s 0N x < 0m 50N 0m x < 10m F Antrieb = 450N x 0 N 10m x < 0m m 100N x.5 N 0m x < 40m m 0N x 40m Modul: MDS Datum: FS010 (a Erstelle ein SIMULINK-Modell um die Bewegung der Masse unter Berücksichtigung von Gleitreibung (µ = 0.5 und Luftreibung (c w = 0.8, ρ = 1.9 kg m 3 und A = 1m zu untersuchen. Modell: Graphen: Bewegung:

Kräfte: (b Bestimme die maximale Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung, die der Körper erreicht. Siehe auch entsprechendes Steuerungsskript (s serie3 aufgabe1.m: v max = 13.67 m s a max = 1.5 m s (c Nach welcher Zeit und in welcher Entfernung zum Startpunkt kommt der Körper zum stehen? Siehe auch entsprechendes Steuerungsskript (s serie3 aufgabe1.m: x max = 44.33m t max = 6.38s (d Welche Arbeit 1 verrichten die drei Kräfte einzeln und gesamthaft? Skizziere zudem den zeitlichen Verlauf der geleisteten Arbeit und erkläre kurz mit Worten den Sachverhalt. Arbeit: W (t = t 0 dw = t 0 dw = F ds F ds = t 0 F ds dt dt = t 0 F v dt Modell: Der Integrator Integrator bestimmt die zeitabhängigen Arbeitsfunktionen! Graphen: 1 Arbeit (verwende einen weiteren Integrator beim Modellieren: dw = F ds W = s end s star dw Seite / 15

. Aufgabe Ein Masse (m = 1kg sei am einen Ende einer horizontalen Feder (k = 100 N m angebracht. Auf der anderen Seite der Feder sei ein Motor, welcher das zweite Ende in horizontaler Richtung auslenken kann: x M = x sin (ωt (dabei bezeichnet x = 0.5m die Amplitude (maximale Auslenkung und ω die Kreisfrequenz der Schwingung (ω = πf. Zum Startzeitpunkt sei die Feder entspannt und die Masse in Ruhe. (a Erstelle ein SIMULINK-Modell um die Bewegung der Masse zu untersuchen (mit Einfluss von Gleitreibung (µ = 0.3. (b Bestimme den zeitlichen Verlauf der Auslenkung der Masse für ω 1 = 1.5 1, s ω = 8.5 1, ω s 3 = 10 1, ω s 4 = 11.5 1 und ω s 5 = 0 1. Erkläre die gefundenen s Resultate kurz. Seite 3 / 15

3. Aufgabe Gegeben sei die folgende Anordnung: x 0 x Auf einem Tisch liegt ein Seil (m Seil = 1.5kg, = m. Zwischen dem Seil und der Tischoberfläche wirken Reibungskräfte (µ gleit = 0.15, µ haft = 0.. (a Bestimme alle Kräfte, welche auf das Seil einwirken und stelle die Bewegungsgleichung auf. Grundsätzlich wirken die folgenden drei Kräfte: Gewichtskraft des Seils: Bei der Gewichtskraft des Seils unterteilen wir das Seil in eine liegende Hälfte mit der Länge l liegend = x und in eine hängende Hälfte mit l haengend = x. Das liegende Seilstück hat die Masse m liegend = m Seil l l liegend = m Seil x Seil und es wirkt somit die Kraft G liegend = m liegend g auf die Tischoberfläche. Das hängende Seilstück hat die Masse m haengend = m Seil x und somit wirkt die Kraft G haengend = m haengend g in x-richtung. Seite 4 / 15

Normalkraft: Da der Tisch das Seil (nur den liegenden Teil des Seils halten muss wirkt die Normalkraft N = G liegend auf das Seil. Somit heben sich diese beiden Kräfte gegenseitig auf (Zwangskraft. Reibungskraft: Hier müssen wir zwischen Haftreibung R haft Nµ haft und Gleitreibung R gleit = Nµ gleit unterscheiden. Beide Kräfte hemmen die Bewegung und wirken daher in negative x-richtung. Bewegungsgleichung: a Seil = F res = G haengend R = m Seil a Seil 1 m Seil x = g x x gµ = g (1 + µ x gµ ( mseil x xg m Seil gµ (b Wie gross darf x 0 (Anfangslänge des herunterhängenden Seilstücks maximal sein, dass das Seil noch nicht vom Tisch gleitet? Damit dass Seil auf dem Tisch liegen bleibt, muss die Haftreibung grösser als die Gewichtskraft des hängenden Seilstücks sein: G haengend = R haft,max m Seil xg = m Seil x x = ( x µ haft gµ haft x (1 + µ haft = µ haft x = 1 µ haft 1 + µ haft = 1 m 0. = 0.33333m 1 + 0. (c Erstelle ein Modell um die Bewegungsgleichung numerisch zu lösen (x 0 = 0.5m. Erzeuge die Graphen x (t, v (t und bestimme die Zeit bis das Seil ganz vom Tisch gerutscht ist. Modell: Seite 5 / 15

Graphen: Zeit bis das Seil vom Tisch gerutscht ist: t fall = 1.17 (d Bestimme die Reibungsarbeit. Die Reibungsarbeit kann man auf verschiedene Arten bestimmen: Energiesatz: Wir haben eine bestimmte Anfangsenergie ( E start = m liegend gh + m hängend g h x 0 und eine bestimmte Endenergie ( E end = m Seil g h l Seil + 1 m Seilvend Da wir Reibungsverluste haben, ist die Energie am Anfang grösser als die Energie am Ende. Die Differenz der Energien entspricht gerade den Seite 6 / 15

Reibungsverlusten: W Reibung = E start E end = ( m liegend gh + m haengend g h x 0 x 0 = m Seil gh + m ( Seil x 0 g = m Seil gl Seil v end gx 0 ( m Seil g h h x 0 ( m Seil g h 1 m Seilv end 1 m Seilv end Die Endgeschwindigkeit beträgt (mittels Simulation v end 4.1 m s und somit erhält man: W Reibung = m Seil gl Seil v end gx 0 = 1.5kg 9.81 m (m ( 4.1 m s s (m 9.81 m (0.5m s (m = 1.19J Mit einem Energiebehälter: Das Modell kann mit einem zusätzlichen Integrator ausgestattet werden, welcher die einzelnen Verluste dw = F ds = m Seil l liegend gµ gleit ds = m Seil l liegend gµ gleit v ds dt }{{} dt = m Seil (l seil x gµ gleit vdt aufsummiert. Graph für (kummulierte Reibungsarbeit: 4. Aufgabe Gegeben sei ein Fadenpendel: ϕ l m Seite 7 / 15

(a Bestimme alle Kräfte, die auf die Masse einwirken (mit und ohne Luftwiderstand, und stelle die Bewegungsgleichung auf. Auf den Massenpunkt wirken die folgenden drei Kräfte: Gewichtskraft: G = mg wirkt immer nach unten. Seilkraft: Die Gewichtskraft kann in eine radiale G radial = G cos (ϕ und eine tangentiale Komponente G tangential = G sin (ϕ zerlegen. Die Seilkraft muss: im Stillstand gerade die radiale Komponente der Gewichtskraft aufheben. Somit gilt für die Seilkraft: F Seil = mg cos (ϕ wenn sich die Masse bewegt, muss die Seilkraft einerseits die radiale Komponente der Gewichtskraft neutralisieren und zudem noch die Bahnrichtung verändern (Zentripedalkraft. Somit gilt: F Seil = mg cos (ϕ + m v l Reibungskraft: Für die Reibungskraft gilt: F Luftreibung = 1 c wσav Diese Kraft wirkt der Bewegung (Geschwindigkeit entgegen. Die resultierende Kraft beträgt somit: ( ( 0 F res = + (mg cos (ϕ + m v sin (ϕ mg l cos (ϕ + 1 c wσav ( cos (ϕ sin (ϕ Bewegungsgleichung: Zweidimensionale Bewegung: ( mg cos (ϕ + m v l ( mg + mg cos (ϕ + m v l sin (ϕ + 1c wσav cos (ϕ cos (ϕ + 1c wσav sin (ϕ F res = m a ( x = m y Eindimensionale Bewegung: F res,bahn = ma Bahn mg sin (ϕ 1 c wσav Bahn = ma Bahn a Bahn = g sin (ϕ 1 m c wσavbahn ( xbahn = g sin 1 l m c wσavbahn Seite 8 / 15

(b Erstelle das entsprechende Modell (m = kg, l = 1m, ϕ (0s = ϕ 0 = π 4, A = 10cm, c w = 0.5. (c Erzeuge die folgenden Graphen: ϕ (t x (t, y (t und y (x E kin (t, E pot (t und E ges (t x (t, y (t und ϕ (t: Bahnkurve y (x: Seite 9 / 15

E kin (t, E pot (t und E ges (t: 5. Aufgabe Ein dünner Stab (m stab = kg, L = 1m ist in der Mitte an einer vertikal angebrachten Schiene befestigt und kann daran gleiten (µ gleit = 0.. Der Besfestigungspunkt sei mit einer Feder (k = 500 N m, l ruhe = 1m gegen oben fest verbunden. Zudem kann sich der Stab um den Aufhängungspunkt frei drehen. Zum Startzeitpunkt befindet sich die Anordnung in Ruhe und der Stab ist horizontal ausgerichtet. Nun wird am rechten Ende des Stabes eine Masse (m = 5kg angebracht. y x m s S ϕ m (a Bestimme alle Kräfte und Momente (bezüglich des Drehpunktes. Seite 10 / 15

Translation (Kräfte auf die Stabmitte: F G = (m + m S g Rotation (Momente bezüglich S: ( 1 F F = kx 0 ( 1 0 M = mg sin (ϕ (b Erstelle ein SIMULINK-Modell um die Bewegung des Systems zu untersuchen (Translation des Schwerpunktes und Rotation um den Schwerpunkt. (c Skizziere den zeitlichen Verlauf für: die Position des Schwerpunktes, und den Winkel ϕ sowie die Bahnkurve, die das rechte Stabende durchfährt. Schwerpunkt: Seite 11 / 15

Winkel: Bahnkurve: 6. Aufgabe In einem vertikal stehenden quadratischen Rahmen ist ein Massenpunkt (m = 10kg mit vier identischen Federn (k = 1kN/m, Ruhelänge der Federn l 0 = 0.5m befestigt: Seite 1 / 15

(a Erstelle ein Simulink-Modell um die Bewegung der Masse zu beschreiben (Anfangsbedingungen: x(0 = 0., y(0 = 0.3, v x (0 = v y (0 = 0. Seite 13 / 15

(b Skizziere die Bahnkurve, auf welcher sich die Masse bewegt. Bahnkurve: Position (Koordinaten: Geschwindigkeit: Beschleunigung: Seite 14 / 15

(c Skizziere die Graphen für kinetische und potentielle Energie, Federenergie und Gesamtenergie. Seite 15 / 15