Ortsabhängige Kräfte Bsp.: Rakete im Gravitationsfeld (g nicht const.) mM F (r ) G 2 er r Nur r-Komp. (später mehr) v vr (Abschuss vom Pol) dv dv dr a dt dr dt dv v dr a dr v dv r }{ h=r-R v0 er M R Erde G M v dv r 2 dr 1 2 G M v C1 2 r 1 2 G M C1 v 0 2 R Gaub 1 2 v0 g R 2 E1 WS14/15 1 1 2 GM 1 2 v v0 g R 2 r 2 mit a(R) g G M 2 R r 1 2 g R2 1 2 v v0 g R 2 r 2 R rmax 2 v0 1 ( ) 2Rg km 11.2 v0 v2 2 R g s }{ v0 er v(rmax ) 0 M für h=r-R R Erde v0 2 R g Fluchtgeschwindigkeit (2.kosmische Geschwindigkeit) Kleinste Kreisbahn (Newton) 1. Kosmische Geschwindigkeit 2 v2 G M v1 G M v1 g R 2 2 R R R Gaub E1 WS14/15 7.9 km s 2 Newtons Sicht: Gesamtimpuls dp dv dv dm dm m m v v (m m) g (Rakete+Gas) dt dt dt dt dt Näherung 0 dm dm Rakete Ausstoßgeschwindigkeit m v ve v v const relativ zur Rakete m v bezogen auf RaketenGas Eroberfläche dv dm m ve m g gleichung dt dt Triebwerks-Schub m m0 mT dv ve v (T ) 0 T t Gaub dm g dt m m (T ) Nur z-Richtung T 1 v (0)dv ve m(0) m dm 0 g dt v(T ) ve (ln mT ln m0 ) g T m0 Viel Treibstoff v(T) v e ln g T schnell verbrennen mT E1 WS14/15 3 Bsp.: 1. Stufe Saturn V km s m0 3106 kg ve 4 } km v(T) 4,4 s g0 km v(T) 3,4 s 2 g 9,81m /s mT 1106 kg T 100 s unterhalb der Fluchtgeschwindigkeit Mehrstufige Trägerraketen Apollo 11 Saturn V lauch http://www.youtube.com/watch?v=wvWHnK2FiCk Gaub E1 WS14/15 4 §2.7 Energiesatz der Mechanik dW F dr Arbeit + Leistung W12 Bahnkurve F dr p2 Linienintegral p1 d r v dt z P2 „Arbeit“[W]= Nm = Joule z x2 y 2 2 F dr Fx d x Fy d y Fz d z p2 F p1 r (t ) x1 Anmerkung: W = 0 fürF dr P1 y Leistung: x Bsp. Gleichförmige Kreisbewegung: Bsp.: Dehnarbeit einer Feder von 0 x : dW P Fv dt y1 z1 [P]= J =Watt=W s v v et ; F F er F dr 0 W 0 W Fx d x x D x dx 0 1 2 D x 2 Gaub E1 WS14/15 5 Konservative Kraftfelder WI F dr P2 I z P1 v Ft P1 WII F dr P2 II P2 P1 v dr r ( t) Wenn WI WII WIII => Integral wegunabhängig y v Kraftfeld F(r) konservativ x Konservatives Kraftfeld: WI WII F dr F dr P2 P1 P1 I P2 II P1 F dr F dr F dr 0 P2 P1 II P2 I Die Arbeit hängt nur von Start- und Endpunkt, nicht vom Weg ab. Vektoranalysis: Stokes´scher Satz konservativ falls rot F 0 Gaub E1 WS14/15 6 0 Fr 0 F z Bsp.: homogenes Kraftfeld z P2 z2 WI F dr P2 II P1 z2 0 Fz dz z1 22 z1 WII Fz dz 0 I P1 x1 z1 x2 F dr 0 x Konservatives Kraftfeld Bsp.: zentrales Kraftfeld F f (r ) r2 F dr Fr dr 0 P2 P2 P1 II Fr dr r1 F dr 0 r1 r2 konservativ I P1 Gaub E1 WS14/15 7 Potentielle Energie konservatives Kraftfeld P2 Def ! W F dr E p (P1 ) E p (P2 ) E p P1 v F dr Bemerkung: I. Vorzeichen so gewählt, dass Arbeit, die am Körper am Körper verrichtet wird, dessen E p erhöht WP F dr E p (P) Arbeit die geleistet wird um P ins Unendliche zu bringen P II. Nullpunkt wird oft so gewählt, dass E p () 0 Gaub E1 WS14/15 8 Bsp. Gravitationsfeld Nahe Erdoberfläche g = const. W F dr mit h m g dz m g h E p (0) E p (h) 0 E p (0) 0 E p (h) m g h Geleistete Arbeit hat zur Zunahme der E p geführt Für grösseren Entfernungsbereich gilt das Gravitationsgesetz GM m GM m GM m E p (r) E p () dr W er dr 2 2 r r r r r Ep R m g R Gaub r GM m Ep r E1 WS14/15 9 Energiesatz der Mechanik dv F m dt t dv t F v dt m t dt v dt t 0 konservatives Kraftfeld 0 P F v dt F dr E p (P0 ) E p (P) W t t0 P0 v1 t dv m v dt m v dv dt t0 v0 Def.: Ekin m 2 m 2 v1 v0 2 2 m 2 v 2 Ekin W Die Zunahme der kinetischen Energie eines Körpers ist gleich der an ihm geleisteten Arbeit E E p (P0 ) Eki n(P0 ) E p (P) Ekin (P) Im konservativen Kraftfeld ist die Summe aus potentieller Energie und kinetischer Energie konstant Gaub E1 WS14/15 10 Bsp: freier Fall v(h) 0 ; z h ; E P (0) 0 z EP ( z ) m g dz m g z 0 m 2 m Ekin ( z ) v ( g t ) 2 m g (h z) 2 2 E E P (z) E ki n (z) m g h Gaub E1 WS14/15 Unabhängig von z! 11 F ( x x, y y ) Potential Kraftfeld P r P E P E P (x x,y y) F ( x, y ) y E P E E x P y P z x y z Dafür benötigte Arbeit E P (x, y) W F dr EP x E E E Fx x Fy y Fz z P x P y P z y z x Def.: Potential = Potentielle Energie pro Masse ME r => Schwerkraft F(r) grad(V)m Bsp.: Gravitation Gaub V(r) G EP Nabla x EP grad ( EP ) EP F y E P z E1 WS14/15 12 Bestimmung von G, Bsp: Gravitationswaage = 2 L FG Drehmoment des verdrillten Fades Schema Gravitationswaage Gaub E1 WS14/15 13 Drehimpuls Ebene beliebig gekrümmte Bahn L r (t ), v (t ) v r (t 2 ) O r (t ) m vr In Polarkoordinaten: L m(r (vr v )) m(r vr ) m(r v ) p mv vv 0 weil r vr und v r Ebene von weil r v r 2 Kreisbewegung: Gaub Def.: Drehimpuls L (r p) m (r v ) L r , v ; v v E1 WS14/15 L m r 2 L m r 2 14 Drehmoment: Newton dL dr dp p r (v p) (r p ) (r F ) dt dt dt v v 0 weil v p Def: Drehmoment D dL D (r F ) dt . r Für zentrale Kraftfelder F f (r ) eˆr L = const. bzgl. Kraftzentrum ist . v F D0 Drehimpulserhaltung Zeitliche Veränderung des Drehimpulses ist gleich dem wirkenden Drehmoment Gaub E1 WS14/15 15 Man Beachte: L und D werden bzgl. eines festen Punktes O im Raum definiert O1 L1 0 v m Gerade Bewegung kann Drehimpuls haben bzgl. O2 r L2 m r v sin 0 O2 Analogie: Später noch: Gaub r v F p D L m I E ki n E ro t E1 WS14/15 16 Johannes Keppler Tycho Brahe Gaub E1 WS14/15 17 Planetenbewegung: Kepplergesetze (Basierend auf Beobachtung Tycho Brahes)) I. Planeten bewegen sich auf Ellipsen mit Sonne im Brennpunkt II. Fahrstrahl von Sonne zu Planet überschreitet in gleichen Zeiten gleiche Flächen P(t1 ) A1 A2 S P(t2 t) P(t2 ) P(t1 t) III. Die Quadrate der Umlaufzeiten der Planeten verhalten sich wie die 3. Potenzen ihrer großen Halbachsen T12 a13 2 3 T2 a2 Gaub oder Ti 2 3 const ai E1 WS14/15 für alle Planeten 18 Zum 2. Kepplerschen Gesetz r (t dt ) S dA v r (t ) ds v dt h ds p Bogen ≈ Sehne 1 dA r v dt sin 2 dA 1 1 1 r v sin rp L dt 2 2m 2m + 1. Gesetz (planare Bahn) => Richtung L konst L const Gaub E1 WS14/15 19 Newtons Analyse: !! Planetenbahnen Fallender Apfel aus L const. aus Actio = Reactio Selbe Axiomatik Gravitation ! !! FG (r ) f (r ) eˆr (Zentralkraft) FG ~ m1 m2 FG (r ) G m1 m2 f (r ) eˆr Mit Ellipse ~ Kreis => mp wp rp G mp ms f (ri ) 2 3. Keppler mp M S w2 ~ T 2 ~ r 3 eˆr F G 2 2 r f (r) ~ r Newtonsches Gravitationsgesetz Gaub E1 WS14/15 20 Bestimmung von g: Mathematisches Pendel Ft m at m g sin m l sin l l (1 cos ) 3 3! 5 5! ... sin Ft Fr g l m g Lösung der DGL: Gaub (t ) A sin g t l T 2 l g g E1 WS14/15 21 Genauer: E p m g l (1cos ) Ekin m 2 m 2 2 v l 2 2 Start m 2 2 E Eki n E p m g l (1 cos ) l E p0 m g l (1 cos 0 ) 2 2 g (cos cos 0 ) d l 0 g 0 T 4 dt d dt T cos cos 0 0 4 sin mit sin sin l d T 4 g 0 1 k 2 sin 2 2 ; k sin l 1 2 T ( 0 ) 2 (1 0 .....) g 16 0 2 2 0 l + Bronstein oder Mathematica 2 T ( 0 ) T0 1.02 1.01 1.00 10 Gaub E1 WS14/15 20 30 0 22 Kreisscheibe der Dicke dx schneidet aus der Kugelschale der Dicke da das Volumenelement (Kreisring) Gravitation Kugelschale da y a dV = 2 y ds dx, y = asin,ds=da/sin r m { X P R dm 2 a da dx ds m dm dEP G r a dx EP 2 G m a da r x a dx r 2 y2 (R x)2 R a 2 a da m EP G dr R r Ra m m EP G R y x R 2 R x 2 2 2 a2 a 2 R2 2 R x dx/dr r / R dx/r dr/ R Gaub dV = 2 a dx da mit m 4 a2 da E1 WS14/15 = Masse der KS 23 Außerhalb der Hohlkugel erscheint die gesamte Masse konzentriert in O EP R a 0 Innerhalb Hohlkugel: G m m a G m m R R innerhalb der Kugel! r a R F a 0 EPi ~ R F 0 F G m m R2 dr 2 R r a R m m EPi G const. R a ! a F gradEP 0 für R < a Gaub E1 WS14/15 24 Varianten der Coulomb WW Gaub E1 WS14/15 25 Varianten der Coulomb WW Siehe J.N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces with Applications to Colloidal and Biological Systems, Academic Press 1985 Gaub E1 WS14/15 26 Bsp.: VdW-Potentiale ausgedehnter Körper B A dw nB 2ydyd (d ) 2 y2 A y d A A 3 B d B M B r dy wAB nB dw 3 6 d y 0 0 d 3 WAB~ 1/d a) b) Nochmalige Integration => Potetial zwischen 2 Wänden WAB H AB 1 2 d 12 d 2 HAB typisch ≈10-20 J Hamaker Konstante Gaub a 2 n A nB 1 12 WAB~ 1/d L c) d WAB~ 1/d E1 WS14/15 R 5 d) d WAB~ 1/d 27 2