I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Klausur am Mittwoch, 3 .02.10 3. Vorlesung EP I) Mechanik 1.Kinematik Fortsetzung 2.Dynamik Anfang Versuche: 1.Funkenflug (zur Kreisbewegung) 2. Affenschuss (Überlagerung von Geschwindigkeiten) 3. Zwei und 3 KommilitonINNen auf skate boards (Actio = reactio und Impulserhaltung) EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler 1 I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik ∆v a= ∆t = constans gilt: Geschwindigkeitsänderung in der Zeit ∆t: ∆v = a ∆t Bei konstanter Beschleunigung Wenn die Geschwindigkeit zur Zeit t0 den Wert v0 hatte, dann ist sie nach Zeit t1 (∆t = t1 – t0) („Integration von a über Zeit“) : v = ∆v + v0 = a ∆t + v0 Durchschnittsgeschwindigkeit : vmittel = 1/2(vmin +vmax) = 1/2 (v0 + v0+a ∆t) In Zeit ∆t zurückgelegter Weg („Integration von v über die Zeit“) : ∆x = vmittel ∆t = 1/2 a (∆t)2 + v0 ∆t Ort zur Zeit t1 : x = ∆x +x0 mit x0 = Anfangsort zur Zeit t0 Prominentes Beispiel für konstante Beschleunigung : freier Fall im Schwerefeld der Erde auf Erdoberfläche g = 9.81 m/s2 Versuch: Freier Fall (Feder und Stein) im evakuierten Fallrohr 2 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Bewegung in Ebene und Raum (2- und 3-dimensional) Ort, gemessen von (willkürlichem) Ursprung, ist ein Vektor r x1 x1 = y1 x 1 r x1 = y1 z1 ← 2-d (2-dimensional) ← 3-d Vektor ist beschrieben durch die zwei oder drei Koordinaten x,y bzw. x,y,z wie oben; r oder durch seine Länge und seine Richtung x = x 2 + y2 + z2 (Richtungsangabe durch Winkel relativ zu den Achsen des Koordinatensystems) . Geschwindigkeit r r r ∆x r ∆v ebenfalls Vektoren. v = und Beschleunigung a = ∆t ∆t Ausführlich geschrieben: r r r x 2 − x1 (x2 − x1 )/(t 2 − t1 ) v= = t 2 − t 1 (y2 − y1 )/(t 2 − t1 ) (2d)) EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler 3 I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Kreisbewegung, Winkelgeschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit = Kreisfrequenz= ω -zur Vereinfachung konstant angenommen ∆ϕ ω= ∆t Dabei wird Winkel φ gemessen in Bogenmaß=Radiant = [rad] Für genau einen Umlauf gilt: → ∆ϕ = 2π [rad] oder = 2π ohne Einheit → ∆t = T = Umlaufzeit = Periode Also gilt: ω = ∆φ / ∆t = 2π / T „Frequenz“ gibt an, wie oft sich wiederholende Ereignisse pro sec stattfinden. Daher gilt: Umlauffrequenz f = 1/T (1 Umlauf pro Umlaufzeit T) Einheit von f : Hertz= Hz = 1/s Zusammenhang zwischen Umlauffrequenz und Kreisfrequenz: ω = 2π π/T = 2π πf Maßeinheiten: [rad/s] und [s-1] = [Hz] EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler 4 I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Zur Bedeutung des Bogen- oder Winkelmaßes Radiant: Setze als bekannt voraus: • Umfang eines Kreises: U = 2πr ( Gesamtwinkel ∆φ = 2π [rad] ) 2π [m] ist Umfang eines Kreises mit Radius r = 1. s= r ∆φ ist die Länge eines Kreissegmentes mit dem Winkel ∆φ bei Kreisradius r Und s = ∆φ[m] ist Länge bei Kreisradius r = 1m 5 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik r r Bahngeschwindigkeit v = v für Kreisbahn mit Radius r= x r ∆x ∆ϕ v= =r⋅ = r⋅ω ∆t ∆t Gilt auch, wenn ω = ω(t), d.h. nicht konstant ist. Für konstantes ω kann v einfach berechnet werden als v= Umfang/Umlaufzeit=2πr/T, siehe Aufg.1-3 Kreisbewegung mit konstantem ω ist beschleunigte Bewegung, r obwohl der Betrag v konstant ist, da sich Richtung von v ändert. r r ∆v Beschleunigung a = ∆t Richtung: r a : r r ∆v ∆ϕ v ∆ϕ 2 a= a = = = ⋅ r ⋅ ω = r ⋅ω ∆t ∆t ∆t zeigt zum Zentrum der Kreisbewegung →Versuch Funkenflug 6 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik VERSUCHE: Letztes Mal: Geschoßgeschwindigkeit, Messung mit rotierenden Scheiben Überlagerung von Bewegungen Beispiel: Sie gehen spazieren (v1) in einem Flugzeug, das über Erde fliegt (v2), die um Sonne kreist (v3) ... Momentane Geschwindigkeiten in Raum-Bezugssystem Fixsterne addieren sich: r r r vgesamt(t) = v1(t) + v2 (t) +... Anderer Fall: Geschwindigkeitskomponenten in zwei verschiedene Richtungen addieren sich. Beispiel: Bahn, Geschoß mit Anfangsgeschwindigkeit r Ballistische r bei freiem Fall v g = g ⋅ ∆t ergibt zusammen: r v0 r r r vgesamt(t) = v0 + vg (t) Versuch mit 2 fallenden Kugeln, eine mit horizontaler Anfangsgeschwindigkeit verschieden von Null, siehe Darstellung nächste Seite. Versuch heute: „Affenschuss“ 7 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Beschleunigte Bewegung (zweidimensional) -> horizontaler Wurf Beschleunigung wirkt nur in einer (y) Richtung Zerlegung der Bewegung in eine - gleichförmige horizontale (x) - beschleunigte senkrechte (y) Komponente. Beide überlagern sich ungestört, verbunden über die Zeit (t) x = vx0 t y = -½ g t2 + y0 8 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik 9 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik Neues Kapitel: 2. Dynamik von Massenpunkten (Einführung von träger Masse und Kräften) a) Newton’s 3 Prinzipien oder Axiome oder Gesetze : 1. Galilei´sches Trägheitsprinzip: Jeder Körper bleibt in Ruhe oder gleichförmiger Bewegung, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn wirken 2. Newton´s Impulssatz: r ∆ (m ⋅ vr ) r = ma F= ∆t Kraft = Masse mal Beschleunigung, wenn m konstant in der Zeit (Bedingung bei relativistisch bewegten Objekten nicht mehr garantiert). 3 neue physikalische Größen: Kraft, träge Masse und r r mv = p = Impuls Kraft = Zeitliche Impulsänderung 10 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler I)Mechanik: 1.Kinematik, 2.Dynamik 3. Reaktionsprinzip, actio = reactio: Bei Wechselwirkung zwischen zwei Körpern ist Kraft F12, die K1 auf K2 ausübt, entgegengesetzt und gleich im Betrag zu F21 d. h. der Kraft, die K2 auf K1 ausübt: r r F12 = −F21 Newtons Prinzipien gelten nur für Inertialsysteme = Bezugssysteme für Raum und Zeit, die sich relativ zu Fixsternhimmel (oder besser: zu unserem Weltall) gleichförmig bewegen (oder ruhen). Orientierung, Nullpunkt, (konstante) Geschwindigkeit des Bezugssystems können willkürlich gewählt werden. 11 EP WS 2009/10 Dünnweber/Faessler