Zus NWG_I

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Vo
rle
su
ng
su
nte
rla
ge
n
Geprüfter Industriemeister
Metall 2000
Geprüfte Industriemeisterin
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten I
Dozent: Josef Weinzierl
Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Wirtsch.-Ing. (Univ.)
Im Auftrag der:
© Josef
Weinzierl
Naturwissenschaftliche
und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 1
© Josef Weinzierl
Inhalt
1. Bewegungsvorgänge bei mechanischen Bauteilen
Slide
1.1
1.1
Beschreibung
Beschreibung von
von Bewegungsvorgängen
Bewegungsvorgängen und
und -zuständen
-zuständen
33
1.2
1.2
Grundlagen
Grundlagen der
der Kinematik
Kinematik
77
1.3
1.3
Grundlagen
Grundlagen der
der Kinetik
Kinetik
14
14
1.4
1.4
Grundlagen
Grundlagen der
der Festigkeitslehre
Festigkeitslehre
22
22
1.5
1.5
Die
Die mechanische
mechanische Arbeit
Arbeit
33
33
1.6
1.6
Die
Die Energie
Energie und
und ihre
ihre Formen
Formen
35
35
1.7
1.7
Die
Die mechanische
mechanische Leistung
Leistung
38
38
1.8
1.8
Der
Der Wirkungsgrad
Wirkungsgrad
39
39
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 2
© Josef Weinzierl
Zeitliche Kriterien - Kriterien des Bewegungszustandes
• BwegsZustand
Der Bewegungszustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
Gleichförmige Bewegung
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Ungleichförmige Bewegung
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 3
© Josef Weinzierl
Räumliche Kriterien - Kriterien zur Form der Bewegung
• BwegsZustand
Die Bewegungsform
• Kinematik
• Kinetik
Geradlinige Bewegung
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Krummlinige Bewegung
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 4
© Josef Weinzierl
Freiheitsgrade zur Beschreibung von Bewegungen
• BwegsZustand
• Kinematik
Freiheitsgrade dienen zum Beschreiben von Bewegungsmöglichkeiten
eines Körpers im Raum
z
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
R3
R1
• Arbeit
• Energie
x
T2
• Leistung
• Wirkungsgrad
T1
R2
T3
y
Ein Körper besitzt (maximal) 6 Freiheitsgrade im Raum!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 5
© Josef Weinzierl
Eingeschränkte Bewegungsfreiheit
• BwegsZustand
• Kinematik
Konstruktiv eingeschränkte Bewegungsmöglichkeiten sind in der
Technik-Welt sehr gebräuchlich
• Kinetik
Linearführungen
• Festigk.-Lehre
(nur translatorische Bewegung)
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Zahnräder
(nur rotatorische Bewegung)
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 6
© Josef Weinzierl
Kinematik - Definition
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
Kinematik ist die Lehre von den geometrischen
Bewegungsverhältnissen fester Körper und
• Leistung
• Wirkungsgrad
Mechanismen.
Die für die Bewegung ursächlichen Kräfte
bleiben unberücksichtigt.
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 7
© Josef Weinzierl
Gleichmäßige Bewegung
• BwegsZustand
Geradlinig gleichmäßige Bewegung
• Kinematik
Ein Körper bewegt sich in gleichen Zeitintervallen
über gleiche Wegstrecken
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
v=
• Arbeit
• Energie
∆s  m 
= konst.
∆t  s 
s = v ⋅t
• Leistung
• Wirkungsgrad
s
v
∆s..
∆s2
∆s1
∆t1
∆t2
v = konst.
∆t..
∆ s1 ∆s2 ∆ s..
=
=
= konst.
∆t1 ∆t 2 ∆t..
t
t
Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm
Weg-Zeit-Diagramm
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 8
© Josef Weinzierl
Gleichmäßige Bewegung
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
Kreisförmige gleichmäßige Bewegung
v=
∆s 
gilt für alle Bewegungen mit v = konst., auch für Kreisbewegungen
∆t 
• Festigk.-Lehre
Bei einer Umdrehung:
• Arbeit
• Energie
s = d ⋅π = U
• Leistung
• Wirkungsgrad
Bei N Umdrehungen:
Drehfrequenz: n =
s = d ⋅π ⋅ N
N
t
[min1 ]
Umfgangsgeschwindigkeit:
Umfgangsgeschwindigkeit:
v=
d:
r:
N:
n:
Kreisbahndurchmesser
Kreisbahnradius
Anzahl der Umdrehungen
Drehfrequenz
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Winkelgeschwindigkeit: ω =
d ⋅π ⋅ N
= d ⋅π ⋅ n
t
2 ⋅ r ⋅π ⋅ n
= 2 ⋅π ⋅ n
r
Slide 9
© Josef Weinzierl
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung ...
• BwegsZustand
... aus der Ruhe
∆v  m 
= konst.
Beschleunigung: a =
2

∆t  s 
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
v = a ⋅t
v0 = 0
v1 = a ⋅ t1
a 2
s = ⋅t
2
• Leistung
• Wirkungsgrad
s
v
∆v..
∆v2
∆v1
∆t2
∆t1
s-t-Diagramm
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
t
v-t-Diagramm
∆t..
∆v1 ∆v2 ∆v..
=
=
= konst.
∆t1 ∆t 2 ∆t..
t
Slide 10
© Josef Weinzierl
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung ...
• BwegsZustand
... das Fallen eines Körpers
• Kinematik
Fallversuch von
Galileo Galilei
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Bleikugel
Feder
t0=0
• Arbeit
... im Vakuum
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Galileo Galilei
Italienischer Mathematiker
und Astronom
(∗1564 U1642)
Vakuum
Welcher der beiden Körper trifft zuerst am Boden auf?
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 11
© Josef Weinzierl
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung ...
• BwegsZustand
... das Fallen eines Körpers
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
t0=0
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Vakuum
t1
v = g ⋅t
Die beiden Körper treffen zeitgleich am Boden auf!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
h=
g 2 v⋅t
⋅t =
2
2
Slide 12
© Josef Weinzierl
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung ...
• BwegsZustand
... mit Anfangsgeschwindigkeit va (v0)
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
v
v
• Arbeit
• Energie
s2 =
ve
• Leistung
• Wirkungsgrad
a 2
⋅t
2
s = s1 + s2
va
s1 = va ⋅ t
t
t
ve = va + a ⋅ t
a
s = va ⋅ t + ⋅ t 2
2
(va = v0)
Der zurückgelegte Weg entspricht der Fläche unter dem v-t-Diagramm!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 13
© Josef Weinzierl
Kinetik - Definition
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Kinetik ist die Lehre von den Bewegungen der
Körper oder Körpersysteme unter dem Einfluss
der auf den Körper oder das Körpersystem
einwirkenden Kräfte.
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 14
© Josef Weinzierl
Die Newton ‘schen
‘schen Axiome
• BwegsZustand
1. Newton‘sches Axiom
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
Der Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen
• Energie
Bewegung wird von einem Körper solange
• Leistung
• Wirkungsgrad
beibehalten, wie keine Kraft auf ihn einwirkt!
(Trägheitsgesetz oder Beharrungsgesetz)
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 15
© Josef Weinzierl
Die Newton ‘schen
‘schen Axiome
• BwegsZustand
2. Newton‘sches Axiom
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
Wird einer Masse m die Beschleunigung
• Energie
a zuteil, dann ist hierzu eine Kraft F
• Leistung
erforderlich, die gleich dem Produkt aus
• Wirkungsgrad
der Masse m und der Beschleunigung a ist.
(Massen-Trägheits-Satz)
F = m⋅a
(Massenträgheitskraft)
[F ] = 1N = 1kg m2
s
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 16
© Josef Weinzierl
Die Newton ‘schen
‘schen Axiome
• BwegsZustand
3. Newton‘sches Axiom
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
Wirkt von einem Körper eine Kraft auf einen
• Energie
zweiten Körper, dann wirkt gleichzeitig eine gleich
• Leistung
große Kraft vom zweiten auf den ersten zurück.
• Wirkungsgrad
(Wechselwirkungsgesetz „actio = reactio“)
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 17
© Josef Weinzierl
Reibung - Grundsätzliches
FN
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
F
FR
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Äussere Reibung:
Innere Reibung:
Zwischen den Aussenflächen von Festkörpern
Fluidreibung, zwischen Fluidteilchen
(ð Mechanik der Flüssigkeiten und Gase)
Reibungskräfte wirken immer der Verschiebungsrichtung entgegen!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 18
© Josef Weinzierl
Äussere Reibung
• BwegsZustand
• Kinematik
FH
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
α
• Arbeit
FN
• Energie
FH: Hangabtriebskraft
FN: Normalkraft
• Leistung
µ: Reibungszahl
(Abhängig von den Werkstoffkombinationen in der Reibfläche)
• Wirkungsgrad
Haftreibung (FR0):
Kraft die aufzuwenden ist, um einen Körper in
Bewegung zu setzen.
FR 0 = µ0 ⋅ FN
Gleitreibung (FR):
Kraft die aufzuwenden ist, um einen Körper in
Bewegung zu halten
FR = µ ⋅ FN
Haft- und Gleitreibung sind von der Größe der Reibflächen nahezu unabhängig!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 19
© Josef Weinzierl
Innere Reibung
• BwegsZustand
Strömungswiderstand
• Kinematik
Innere Reibung in Flüssigkeiten und Gasen
wird auch als Strömungswiderstand FW
bezeichnet.
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
ρ 2
FW = cW ⋅ A ⋅ ⋅ v
2
• Energie
• Leistung
ð FW ~ v²
• Wirkungsgrad
Strömungsleistung
mit
P = F ⋅v
PW = cW ⋅ A ⋅
gilt
ρ 3
⋅v
2
ð PW ~ v³
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Merke:
Die Strömungsleistung wächst
mit der dritten Potenz der
(Fahr-) Geschwindigkeit!
Slide 20
© Josef Weinzierl
Moment
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
r
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Die Stärke der Drehwirkung ist
abhängig von der Kraft F und dem
senkrechten Abstand r ihrer
Wirkungslinie zum Drehmittelpunkt.
F
M = F ⋅r
Moment ist Kraft mal senkrechten Hebelarm zum Drehungsmittelpunkt!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 21
© Josef Weinzierl
Festigkeitslehre
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
Die Festigkeitslehre ist neben der Statik, der Kinetik und der Kinematik ebenfalls
ein Teilgebiet der Technischen Mechanik.
Sie behandelt das Verhalten verformbarer fester Körper unter dem Einfluß von
äusseren Kräften.
Kräften
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Aufgabe der Festigkeitslehre ist es Berechnungsverfahren zu entwickeln, mit Hilfe
derer die Kraftwirkungen im Innern von Körpern, und die dadurch hervorgerufenen
Formänderungen der Körper berechnet werden können.
Weiter müssen Regeln zur Beurteilung des Versagens und - wichtiger noch - zur
Vermeidung des Versagens von Bauteilen aus verschiedenen Werkstoffen
angegeben werden.
Gegenstand der Betrachtung werden hier Beanspruchungen auf
Ü Zug
Ü Druck
Ü Abscherung
sowie
Ü Flächenpressung
sein.
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 22
© Josef Weinzierl
Spannung & Dehnung
• BwegsZustand
A
• Kinematik
Spannung =
F
• Kinetik
l0
Kraft
Querschnittsfläche
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
A
• Leistung
F
• Wirkungsgrad
Verlängerung
Ausgangslänge
∆l
Normalspannung:
σ=
F
A
[σ ] =
Dehnung:
ε=
∆l
l0
[ε ] = mm = 1
Elastizitätsmodul:
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Dehnung =
N
mm 2
mm
σ
E=
ε
[E ] =
N
mm 2
1
=
N
mm 2
Slide 23
© Josef Weinzierl
Spannung (Zugspannung)
• BwegsZustand
Kompakte Körper (z.B. Stab)
• Kinematik
A
• Kinetik
F
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
∆l
l0
• Arbeit
• Energie
Im elastischen Bereich des Materials: σ < Re
bzw.
• Leistung
σ < Rp0,2
• Wirkungsgrad
... gilt das Hook‘
Hook‘sche Gesetz:
σ
E = = konst.
ε
∆l
σ = E ⋅ε = E ⋅
l0
Elastische
Verlängerung:
l0
∆l = σ ⋅
E
Nur gültig im Hook‘schen Bereich!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 24
© Josef Weinzierl
Dimensionierung von Bauteilen
• BwegsZustand
Grundregel
• Kinematik
• Kinetik
Belastung < zul.
zul. Belastung
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
rechnerisch ermittelt
Bauteil-Dimensionierung:
• Leistung
Belastung =
• Wirkungsgrad
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
aus Tabellenbuch o.ä.
zul .Belastung
ν
Normalspannung:
σ=
Schubspannung:
τ=
Flächenpressung:
p=
σ zul
≤ σ zul
ν
τ zul
≤ τ zul
ν
p zul
≤ p zul
ν
ν: Sicherheitsfaktor
(griechisch: Ny)
Slide 25
© Josef Weinzierl
Spannung (Druckspannung)
• BwegsZustand
Kompakte Körper (z.B. Stab)
.... bei Wärmeausdehnung
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
A
F
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
setzt man:
l0 ⋅α ⋅ ∆T = σ ⋅
l0
= ∆l
E
ð Verlängerung bzw. Verkürzung durch Wärmeausdehnung
Wärmespannung:
Zug- bzw. Druckkraft im Bauteil:
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
σ = E ⋅ α ⋅ ∆T
F = E ⋅ α ⋅ ∆T ⋅ A
E: Elastizitätsmodul
α: Längenausdehnungskoeffizient
T: Kelvintemperatur
A: Querschnittsfläche
[N/mm²]
[1/K]
[K]
[mm²]
Slide 26
© Josef Weinzierl
Abscherung
• BwegsZustand
Schubspannung aus Querkräften
• Kinematik
Scherflächen des Bolzen
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
F
F
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Schubspannung: τ (griechisch: Tau)
Schubspannung:
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
τ=
F
A
[τ] = [σ] = N/mm²
F: Quer-Kraf (Q)
[N]
A: Scherfläche
[mm²]
τ: Schub-Spannung [N/mm²]
Slide 27
© Josef Weinzierl
Torsion
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
Schubspannung aus Drehmoment
Ein Drehmoment M ruft im Querschnitt Schubspannungen hervor, die Drehspannung
oder Torsion genannt werden.
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Schubspannung:
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
τt =
Mt
Wp
τt: Torsionsspannung
Mt: Torsionsmoment
Wp: polares Widerstandsmoment
[N/mm²]
[Nmm]
[mm³]
Slide 28
© Josef Weinzierl
Torsion
• BwegsZustand
Leistung „P“ & Drehmoment „M“ bei kreisförmiger Bewegung
• Kinematik
• Kinetik
FU
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
M;n
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
d
M=
P
ω
[M ] = Nm
Drehmoment:
M = FU ⋅ r
Winkelgeschwindigkeit:
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
ω = 2 ⋅π ⋅ n
[ω ] =
1
sec
M:
P:
ω:
n:
FU:
r:
Drehmoment
Antriebsleistung
Winkelgeschwindigkeit
Drehzahl
Umfangskraft
Wirkradius
[Nm]
[W]
[1/s]
[1/s]
[N]
[m]
Slide 29
© Josef Weinzierl
Flächenpressung ((Lochleibung)
Lochleibung)
Lochleibung)
• BwegsZustand
FN
• Kinematik
FN
Kontaktfläche
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
Flächenpressung:
• Energie
• Leistung
l
b
A = b( p ) ⋅ l
• Wirkungsgrad
FN
p=
FN
[p] = [τ] = N/mm²
projezierte
Kontaktfläche
Gleitlager
bp
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Kontaktfläche
l
FN
A
p:
FN:
l:
b:
bp:
A:
Flächenpressung
Normalkraft
Länge d. Auflagefläche
Breite d. Auflagefläche
projezierte Breite d. A.
Auflagefläche
[N/mm²]
[N]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm²]
Slide 30
© Josef Weinzierl
Verformende Wirkung der Kraft
Verformung
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
Art
elastisch
plastisch
Nach der Entlastung
stellt sich wieder die
ursprüngliche Form
des Bauteils ein
Nach der Entlastung
ist eine bleibende
Verformung eingetreten
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
Wirkung
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Beispiele
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 31
© Josef Weinzierl
Elastische Verformung
• BwegsZustand
Federn
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Festigk.-Lehre
• Arbeit
F1 F2
=
= ....... =
s1 s2
s 1, F 1
• Energie
• Leistung
s 2, F 2
• Wirkungsgrad
=
∆F
= c = konst .
∆s
F = c⋅s
Bei elastischen Verformungen gilt das Hook‘sche Gesetz!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 32
© Josef Weinzierl
Mechanische Arbeit
• BwegsZustand
• Kinematik
Arbeit im physikalischen Sinn wird dann verrichtet, wenn eine Kraft
längs eines Wegs wirkt!
• Kinetik
F
• Festigk.-Lehre
s
• Arbeit
• Energie
W = F ⋅s
[W ] = Nm = 1J
• Leistung
• Wirkungsgrad
Wirken einer Schrägkraft
F
α
Fy
W = Fx ⋅ s
Fx
s
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
W = F ⋅ cos α ⋅ s
Fx: Wirkkomponente
Fy: „arbeitslose“ Komponente
Slide 33
© Josef Weinzierl
Mechanische Arbeit ...
• BwegsZustand
.... an einer schiefen Ebene
• Kinematik
• Kinetik
Arbeit längs der schiefen Ebene:
• Festigk.-Lehre
W = FH ⋅ s
• Arbeit
W = FG ⋅ sin α ⋅ s
• Energie
s
• Leistung
FH
• Wirkungsgrad
h
Hubarbeit:
W = FG ⋅ h
α
α
FG
FH h
=
FG s
FN
Goldene Regel der Mechanik:
Was an Kraft eingespart wird, muss im Verhältnis mehr an Weg zurückgelegt werden!
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 34
© Josef Weinzierl
Energie
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
5 kg
In der gehobenen Masse (5 kg) steckt Arbeitsvermögen.
Wird sie losgelassen, ist sie in der Lage an der anderen
Masse (Hub-) Arbeit zu verrichten.
• Festigk.-Lehre
Energie ist gespeicherte
Arbeit (Arbeitsvermögen)
• Arbeit
• Energie
• Leistung
1 kg
• Wirkungsgrad
Energie: „E“
[E] = [W] = 1J = 1Nm
Die Masse 5kg ist aufgrund ihrer HöhenLage und des daraus resultierenden EnergiePotentials
in der Lage Arbeit zu verrichten.
Man nennt diese Energieform daher Lage-Energie oder Potentielle Energie.
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 35
© Josef Weinzierl
Energiearten
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
• Arbeit
• Energie
h
• Leistung
• Wirkungsgrad
s
Potentielle Energie
Epot
E pot = m ⋅ g ⋅ h
c: Federkonstante
s: Federweg
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Kinetische Energie
Ekin
Ekin
m ⋅ v2
= m⋅ a⋅ s =
2
1
2
Spann-Energie
Epot,Spann
E pot , Spann
c ⋅ s2
=
2
3
Slide 36
© Josef Weinzierl
Energiearten
• BwegsZustand
• Kinematik
• Kinetik
E = Epot
• Festigk.-Lehre
E pot = m ⋅ g ⋅ h
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
E = Epot(â) + Ekin(á)
Da beim Fallen eines Körpers
potentielle Energie in kinetische
umgewandelt wird gilt:
m ⋅ v2
m⋅ g ⋅h =
2
v(t)
daraus ergibt sich:
E = Ekin
Ekin =
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
m⋅v
2
Endgeschwindigkeit
beim freien Fall:
2
v = 2⋅ g ⋅h
Slide 37
© Josef Weinzierl
Mechanische Leistung
• BwegsZustand
Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit!
• Kinematik
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Leistung
• Arbeit
W F ⋅s
P=
= F ⋅v
=
t
t
[P ] = 1 J
s
=1
Nm
= 1W
s
(W: Watt *)
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
Die mechanische Leistung lässt sich auch aus Drehmoment M und
Winkelgeschwindigkeit ω berechnen:
Leistung
P = M ⋅ω = F ⋅ r ⋅ ω
P = F ⋅ r ⋅ 2π ⋅ n
[*) 1 kW ≈ 1,36 PS]
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 38
© Josef Weinzierl
Wirkungsgrad
• BwegsZustand
• Kinematik
Qzu
Nutzung
EnergieNiveau
Qab = QNutz
• Kinetik
• Festigk.-Lehre
Qzu = Qab + QVerlust
• Arbeit
• Energie
• Leistung
• Wirkungsgrad
QVerlust
Wirkungsgrad
Q ab W ab
η=
=
Qzu Wzu
[η] = 1 oder %
Bei allen Bewegungsvorgängen entstehen Energieverluste aufgrund von Reibung.
Diese Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt.
Naturwissenschaftliche und
technische Gesetzmäßigkeiten
Slide 39
© Josef Weinzierl
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