7 Starre Körper 7.1 Beschreibung des starren Körpers 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment 7.3 Rotationsenenergie und Trägheitsmoment 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung 7.5 Drehimpuls 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten 7.7 Präzession 7.8 Hauptträgheitsachsen R. Girwidz 1 7 Starre Körper Schwerpunktsatz: Der Schwerpunkt eines Körpers bewegt sich so, als ob die Gesamtmasse im Schwerpunkt vereinigt wäre und die Summe alle äußeren Kräfte dort angreifen würde. Ist die Summe der äußeren Kräfte Null, so bewegt sich der Schwerpunkt geradlinig und gleichförmig. R. Girwidz 2 –1 7.1 Beschreibung des starren Körpers Kräfte an einem frei beweglichen starren Körper reine Translation reine Rotation Translation + Rotation F i i r F i i i 3 R. Girwidz 7 Starre Körper 7.1 Beschreibung des starren Körpers a) Freiheitsgrade Massenpunkt: ausgedehnter Körper: 3f 6f (f: Freiheitsgrade) b) Translation c) Rotation Die allg. Bewegung eines starren Körpers lässt sich aus Translation und Rotation zusammensetzen. R. Girwidz 4 –2 Exkurs Dichte M mi M dm i V V Vi V dV i V Dichte lim V 0 Berechnung d. Masse aus der Dichte: m dm V dV dM dV M dV V M dx dy dz zyx R. Girwidz 5 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Drehmomentenscheibe F2 greift zunächst in SP an Maßstab hochheben Balkenwaage Wirkungslinie an Drehmomentscheibe - Hebel bleibt in Ruhe, wenn: F1 l1 F2 l2 - Die drehbar gelagerte Scheibe bleibt auch in Ruhe, wenn die Angriffspunkte der Kräfte vertikal verschoben werden. R. Girwidz 6 –3 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 7 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Am starren Körper kann man den Angriffspunkt einer Kraft beliebig längs ihrer Wirkungslinie verschieben, ohne das sich die Wirkung dieser Kraft ändert: R. Girwidz 8 –4 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Kräfte am starren Körper: a) Angriffspunkt der Kraft entscheidend (aber b) b) Kräfte am starren Körper sind „linienflüchtig“, d.h. entscheidend ist der senkrechte Abstand von der Drehachse c) Kraftrichtung (Winkel) entscheidend 9 R. Girwidz 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Def. Drehmoment: M r F Betrag: (“=Kraft x Hebelarm“) Richtung: M r F sin Senkrecht auf r und F " rechte - Hand - Regel" Einheit: Nm Mehrere Drehmomente addieren sich vektoriell! R. Girwidz 10 –5 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Beispiel: r2 = 2r1 ; F1 = 5N ; Wie groß muss F2 sein, damit der Körper im Gleichgewicht bleibt? 11 R. Girwidz 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment M 1 r 1 F 1; M1 r1 F1 M 2 r 2 F 2; M 2 r2 F2 sin 45 r2 F2 sin Wirkungskomp. von F r2 sin F2 Abstand der Wirkungslinie vom Drehpunkt M1 M 2 ; F2 F1 R. Girwidz r1 r2 sin 45 5N 1 3,5N; 2 12 –6 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 13 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Der Schwerpunkt unregelmäßig geformter Körper lässt sich experimentell bestimmen (Schnittpunkt der Schwerlinien). Schwerkraft greift an S an und bewirkt Drehmoment, bis S unter dem Drehpunkt liegt. R. Girwidz 14 –7 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment Statik: Summe aller Kräfte Null: F und Summe aller Drehmomente Null: M 0 i i i 0 i R. Girwidz 15 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 16 –8 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 17 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 18 –9 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 19 7.2 Kräfte am starren Körper- Drehmoment R. Girwidz 20 –10 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Dynamik 21 R. Girwidz 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Parallelversuch: Gleiche Höhenenergie wird in Rotationsenergie umgesetzt Kinetische Energie des Massenelements: 1 1 E Kini m i v 2 m i ri 2 2 2 2 R. Girwidz 22 –11 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Parallelversuch: Gleiche Höhenenergie wird in Rotationsenergie umgesetzt Kinetische Energie des Massenelements: 1 1 E Kini m i v 2 m i ri 2 2 2 2 Rotationsenergie des gesamten Körpers: bei i Teilmassen: ERot EKini i 1 2 2 mi ri 2 i bei kontinuierlicher Massenverteilung: 23 R. Girwidz 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Parallelversuch: Gleiche Höhenenergie wird in Rotationsenergie umgesetzt Kinetische Energie des Massenelements: 1 1 E Kini m i v 2 m i ri 2 2 2 2 Rotationsenergie des gesamten Körpers: bei i Teilmassen: ERot EKini i bei kontinuierlicher Massenverteilung: R. Girwidz ERot 1 2 2 mi ri 2 i 1 2 2 r dm 2 V 24 –12 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Definition: Trägheitsmoment I I r 2 dm r 2 dV V V [ I ] = kg m² 25 R. Girwidz 7.3 Rotationsenergie und Trägheitsmoment Definition: Trägheitsmoment I I r 2 dm r 2 dV V V [ I ] = kg m² – I ist ein Maß für die Massenverteilung des Körpers bezüglich einer Rotationsachse – I bezieht sich immer auf eine Rotationsachse – Rotationsenergie: analog zu: R. Girwidz 1 2 I 2 1 mv 2 2 ERot EKin 26 –13 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung 27 R. Girwidz 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung Verschiedene beschleunigende Massen ~M Winkelbeschleunigung ~ Drehmoment R. Girwidz 28 –14 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung ~M Winkelbeschleunigung ~ Drehmoment Fi mi ai Beschleunigende Kraft auf Δmi: mi ri 29 R. Girwidz 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung ~M Winkelbeschleunigung ~ Drehmoment Beschleunigende Kraft auf Δmi: Fi mi ai mi ri Erforderliches Drehmoment: R. Girwidz Mi Fi ri mi ri 2 30 –15 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung ~M Winkelbeschleunigung ~ Drehmoment Beschleunigende Kraft auf Δmi: Fi mi ai mi ri Erforderliches Drehmoment: Mi Fi ri mi ri Für den ganzen Körper: M Mi 2 mi ri 2 31 R. Girwidz 7.4 Drehmoment und Winkelbeschleunigung Für den ganzen Körper: M Mi mi ri M r 2 dm 2 allg.: V I M I R. Girwidz 32 –16 7.5 Drehimpuls 7.5 Drehimpuls 33 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Impuls eines Massenelements mi: p i mi v i R. Girwidz 34 –17 7.5 Drehimpuls Impuls eines Massenelements mi: p i mi v i Definition: Drehimpuls L r i pi i mi r i v i i mi ri 2 i 35 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Impuls eines Massenelements mi: p i mi v i Definition: Drehimpuls L r i pi i mi r i v i i mi ri 2 i L I R. Girwidz 36 –18 7.5 Drehimpuls Drehimpuls L r i pi i L I - Einheit: L kg m - Richtung: L r,v R. Girwidz 2 s Nm s J s; (Einheit einer Wirkung) 37 7.5 Drehimpuls Versuch R. Girwidz 38 –19 7.5 Drehimpuls Drehmoment und Drehimplusänderung mit M I d M LL dt Andererseits: Wenn kein Drehmoment wirkt, bleibt der Drehimpuls erhalten Versuch 39 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Masse m Translationsenergie Kraft Ekin 1 mv 2 2 F F ma Impuls p F dp dt p m v R. Girwidz 40 –20 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Masse m Translationsenergie Kraft Winkelgeschwindigkeit Ekin ω 1 mv 2 2 F F ma Impuls p F dp dt p m v 41 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Winkelgeschwindigkeit Masse m Trägheitsmoment Translationsenergie Kraft Ekin ω I 1 mv 2 2 F F ma Impuls p F dp dt p m v R. Girwidz 42 –21 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Winkelgeschwindigkeit Masse m Trägheitsmoment Translationsenergie Kraft Ekin 1 mv 2 2 ω I Rotationsenergie Erot 1 2 I 2 F F ma Impuls p F dp dt p m v 43 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Winkelgeschwindigkeit Masse m Trägheitsmoment Translationsenergie Kraft Ekin 1 mv 2 2 F ma Impuls I Rotationsenergie Erot Drehmoment F ω 1 2 I 2 M r F M I p F dp dt p m v R. Girwidz 44 –22 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Winkelgeschwindigkeit Masse m Trägheitsmoment Translationsenergie Kraft Ekin 1 mv 2 2 Erot M I Drehimpuls p 1 2 I 2 M r F F ma Impuls I Rotationsenergie Drehmoment F ω L dp F dt M p m v L I r p dL dt 45 R. Girwidz 7.5 Drehimpuls Translation Rotation Geschwindigkeit v Winkelgeschwindigkeit Masse m Trägheitsmoment Translationsenergie Kraft Ekin 1 mv 2 2 Erot F dp dt R. Girwidz L M p m v p2 Ekin 2m M r F M I Drehimpuls p 1 2 I 2 F ma Impuls I Rotationsenergie Drehmoment F ω dL dt L I r p L2 Erot 2I 46 –23 7.5 Drehimpuls für Zentralkräfte: M 0 da F || r L konst. Drehscheml R. Girwidz 47 7.5 Drehimpuls Der Drehimpuls ist ein Vektor! R. Girwidz 48 –24 7.5 Drehimpuls R. Girwidz 49 7.5 Drehimpuls R. Girwidz 50 –25 7.5 Drehimpuls Definition des Drehimpulses ist nicht an Kreisbahn gebunden! z. B. Ellipsenbahn L r p z. B. Hyperbelbahn L r p Zuwurf mit Stoßparameter R. Girwidz 51 7.5 Drehimpuls R. Girwidz 52 –26 7.5 Drehimpuls 53 R. Girwidz 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten Einfache Beispiele zur Berechnung von Trägheitsmomenten: a) Zweiatomiges Molekül I A m1 r1 m2 r2 2 R. Girwidz 2 54 –27 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten Einfache Beispiele zur Berechnung von Trägheitsmomenten: a) Zweiatomiges Molekül – Trägheitsmoment bezüglich Molekülachse sehr klein – Molekülphysik beobachtet Rotationsspektren und bestimmt I R. Girwidz 55 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten b) Homogene dünne Stange (Achse am Ende) R. Girwidz 56 –28 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten b) Homogene dünne Stange (Achse am Ende) l m I r dm r dV r 2 A dr V 0 K K 2 2 l l l m m 2 m r 3 2 r A dr r dr A l 0 l 0 l 3 0 1 m l2 3 R. Girwidz 57 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten c) Hohlzylinder (Drehachse = Mittelachse) R. Girwidz 58 –29 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten c) Hohlzylinder (Drehachse = Mittelachse) Masse m; Radien R1, R2 Man zerlegt zur einfachen Berechnung den Hohlzylinder in dünne Röhren der Dicke dr (Radius r, Höhe h) mit dem Volumenelement dV = 2πr dr h Volumen V des Hohlzylinders: V = h π (R22-R12) I m 2 mR 2 r dV hr 2r dr V R VK 2 1 I R m m m 2h R2 R1 m R2 R1 R2 R1 r 4 2h r 3dr 2h ; 2 2 2 2 V V 4 4 2 h R R R2 R1 R R 2 1 R2 2 1 I 1 4 4 2 2 2 2 m 2 2 R2 R1 ; 2 59 R. Girwidz 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten c) Hohlzylinder (Drehachse = Mittelachse) I m 2 2 R2 R1 2 dünnwandig: R1 R2 => I = m R2 ; Vollzylinder: R1 = 0 => I = 1/2 m R2 ; Versuch R. Girwidz 60 –30 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten d) Steinerscher Satz - Wenn die Rotationsachse nicht durch den Schwerpunkt geht R. Girwidz 61 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten d) Steinerscher Satz - Wenn die Rotationsachse nicht durch den Schwerpunkt geht R. Girwidz 62 –31 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten d) Steinerscher Satz - Wenn die Rotationsachse nicht durch den Schwerpunkt geht 1 1 2 Ekin mv s Is 2 ; 2 2 1 1 ma 2 2 Is 2 ; 2 2 1 (ma 2 Is ) 2 ; 2 IB 63 R. Girwidz 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten d) Steinerscher Satz - Wenn die Rotationsachse nicht durch den Schwerpunkt geht IB a 2 m I A R. Girwidz 64 –32 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten d) Steinerscher Satz - Wenn die Rotationsachse nicht durch den Schwerpunkt geht I A r 2 dm ; V IB R 2 dm ; V 2 a r dm ; V 2 a 2dm r 2dm 2 a r dm V V R ar 2 V 0 a r dm a x dm a x dm IB a 2 m I A 0 (Schwerpkt satz) R. Girwidz 65 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten Steinerscher Satz: Das Trägheitsmoment eines Körpers bei Rotation um eine beliebige Achse B ist gleich dem Trägheitsmoment des Körpers um eine zu B parallele Achse durch den Schwerpunkt plus das Trägheitsmoment des Schwerpunkts. R. Girwidz 66 –33 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten Rollender Zylinder auf schiefer Ebene Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit hängen zusammen ds R d ; d ds R ; dt dt vS R ; 67 R. Girwidz 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten Rollender Zylinder auf schiefer Ebene Energiebetrachtung E pot mgh (beim Start) 1 1 2 2 Ekin mv h ISh 2 2 (am Ziel) Translations- Rotationsenergie energie vh 2 R. Girwidz 2gh I 1 s mR 2 68 –34 7.6 Berechnung von Trägheitsmomenten vh 2 2gh I 1 s mR 2 homogener Vollzylinder: 1 IS mR 2 2 4 2 v sh gh 3 dünnwandiger Hohlzylinder: IS mR 2 v sh gh 2 69 R. Girwidz 7.7 Präzession - Ein starrer Körper, der sich ohne Einschränkung um einen festen Punkt drehen kann heißt Kreisel - Wirkt auf einen rotierenden Kreisel ein Drehmoment so gilt: M dL dt Rad aufgehängt an einer Schnur R. Girwidz 70 –35 7.7 Präzession Besonders „attraktiver“ Spezialfall: – der Körper rotiert um die Figurenachse, d. h. (L || Fig.achse) – und M L Der Betrag von L bleibt konstant, aber die Richtung ändert sich (und damit die Richtung der Figurenachse). => Der Körper beschreibt eine Präzessionsbewegung R. Girwidz 71 7.7 Präzession Berechnung der Präzessionsfrequenz ωp R. Girwidz 72 –36 7.7 Präzession Berechnung der Präzessionsfrequenz ωp dL M dt m g l dt L L L d mg l p dt L d Präzessionsfrequenz 73 R. Girwidz 7.7 Präzession Berechnung der Präzessionsfrequenz ωp dL M dt m g l dt L L L d mg l p dt L d Präzessionsfrequenz R. Girwidz 74 –37 7.7 Präzession Versucht man, einen Kreisel durch ein Drehmoment zu kippen, so weicht die Kreiselachse senkrecht zur angreifenden Kraft aus. Beispiel Fahrradfahren: Drehimpuls und Drehmoment beim Lenken 75 R. Girwidz 7.7 Präzession Präzession der Erde TPr äz 26000 a; Pr äz M / L 2 / TPr äz ; R. Girwidz 76 –38 7.7 Präzession Zur Kernspinresonanz Auch im mikroskopischen Bereich kann man Präzessionsbewegungen beobachten. Atome, Atomkerne und Moleküle mit Eigendrehimpuls besitzen oft ein magnetisches Moment. Bringt man sie in ein äußeres Magnetfeld, so entsteht ein Drehmoment und die Drehimpulsachse präzediert mit eine charakteristischen Resonanzfrequenz um das Magnetfeld. Drehmoment M µ B µ : magn. Moment B : magn. Kraftflußdichte Mit der Kernspinresonanz (nuclear magnetic resonance NMR) weist man Atome und ihren speziellen chemischen Bindungszustand nach. In der Medizin sind Diagnosen mit Hilfe von NMR-Computer-Tomographen möglich. Film u. Dias von Haase 77 R. Girwidz 7.7 Präzession Nutation Versuch R. Girwidz 78 –39 7.7 Präzession Nutation Nutation: Drehimpulsrichtung deckt sich nicht mit der Figurenachse 79 R. Girwidz 7.8 Hauptträgheitsachsen Fotos, Versuche (Lassowerfer) - Um Hauptträgheitsachsen / freie Achsen drehen Körper ohne Unwucht, d. h. die Lager werden nicht durch Kräfte belastet. - Hauptträgheitsachsen gehen durch den Schwerpunkt. - Jeder Körper hat 3 Hauptträgheitsachsen, die senkrecht aufeinander stehen. - Stabil drehen Körper nur um die Hauptträgheitsachsen mit dem größten und dem kleinsten Trägheitsmoment. R. Girwidz 80 –40