28.01.2014 5. Dynamik: Kräfte, Newtonsche Gesetze Die Ursache der Bewegung ist eine Kraft Die Kraft ist ein Vektor F . Greifen mehrere Kräfte an einem System an, so können die Kräfte zu einer Resultierenden zusammengefaßt werden: n Fges Fi i 1 Wirkung der Kraft: Beschreibung durch die Newtonschen Axiome. Axiom: keine Herleitung möglich, nur empirische Beweise. 1. Trägheitsprinzip 2. Aktionsprinzip 3. Reaktionsprinzip 5.1 Trägheitsgesetz (1. Newtonsche Gesetz) Trägheit: Ein Körper bleibt in Ruhe ( v 0 ) oder bewegt sich mit konstanter Ge schwindigkeit ( v const ), d.h. er verändert seinen Bewegungszustand nicht ( a 0 ), wenn keine externe Kraft auf ihn einwirkt. Der Körper ist frei. Bereits 100 Jahre vor Newton von Galilei experimentell nachgewiesen und ähnlich formuliert. 5-1 28.01.2014 Widerspricht etwas der alltäglichen Erfahrung: Bewegtes Auto stoppt nach Abschalten des Motors (Kraft). Aristoteles: v = 0, wenn keine Kraft einwirkt = bevorzugter Ruhezustand = Erde. Unterschied zu Newton: auch v = const. wenn keine Kraft einwirkt. mit Motor: Gegenkräfte FBrems : Gegenwind, Rollwiderstand F Motorkraft = Widerstandskräfte i 0 v const. ohne Motor: F Warum: i 0 a Brems Beispiele: Welcher Faden reißt? 3 Fälle sind möglich: keiner: F zu klein, d.h. dünneren Faden nehmen langsame Steigerung der Kraft: oben: FO m g F ruckartig. Trägheit der Masse: unten: FO m g < FU F m a Tablecloth.mpg FU F tpaper.mpg 5.2 Aktionsprinzip: Kraft und Masse (2. Newtonsche Gesetz) Kraft ist die Größe, die einen Körper dazu veranlaßt, seine Geschwindigkeit zu ändern. Änderung der Geschwindigkeit = Beschleunigung: Resultierende Kraft = Richtung der Beschleunigung Fges m a kgm F 2 F N = 1 Newton s gilt nur für m = const. ! (siehe Kap. 7.1 allgem. Def.) 5-2 28.01.2014 Die Masse widersetzt sich der Beschleunigung: „träge Masse“. Je größer m umso kleiner ist die resultierende Beschleunigung a. unabhängig von der Art der Kraft: Elektron: elektrisches Feld Erde: Gravitation Beispiel: 1. ohne Bewegung (starrer Körper): statisches Gleichgewicht v 0 F 0 v 0 FMauer FZug 0 FMauer FZug actio = reactio gleich groß aber entgegengesetzt Die Kraft FMauer muß vorhanden sein für v 0 2. mit Bewegung: Frage: Wie groß ist die Beschleunigung a des Autos ? F FZ 0 FZ bewirkt eine Beschleunigung a: 5.3 FZ m a Actio = Reactio (3. Newtonsche Gesetz) Actio = Reactio Die auf einen Körper einwirkende Kraft kann nicht aus diesem selbst stammen. Es muß mindestens noch ein zweiter Körper vorhanden sein, von dem diese Kraftwirkung ausgeht. Kraft und Gegenkraft müssen auf zwei verschiedene Körper wirken. 5-3 28.01.2014 Baron Münchhausen sah das etwas anders: Versuch: Federwaage (Video#5) Frage: Wie weit wird die Feder im rechten Fall ausgelenkt ? Die Auslenkung der Testfedern ist gleich groß! Gleichgültig wer die Reaktion erzeugt. Die Kräfte erscheinen paarweise Woher kommt m · g ? Mond F 0 Kreisbahn Gezeiten 5-4 v System 0 28.01.2014 Die Erde wird auch in Richtung Mond bewegt. Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt. Meist vernachlässigbar, da Masse der Erde sehr groß im Vergleich zum Mond. heben sich nicht auf, da Angriff auf unterschiedliche Körper G greift an Körper an G‘ greift an Erde an Körper fällt Der Massenschwerpunkt bewegt sich aber nicht vSystem = 0 da F1 = - F2 5.4 Fundamentale Kräfte Kein direkter Kontakt zwischen den Körpern. Trotzdem besteht eine wechselseitige Wir- kung = Wechselwirkung (WW). Schwer vorstellbar. 4 Grundlegende Arten: Art der WW Ursprung Stärke Reichweite Gravitation Masse 10-38 lang (r-2) Elektromagnetische WW elektrische Ladungen 10-2 lang (r-2) Schwache WW Elementarteilchen 10-13 kurz (10-15 m) Starke WW Kernteilchen 1 kurz (10-15 m) Gravitation: Bestimmt u.a. Lauf der Planeten Elektromagnetische: Elektrische u. magnetische Kräfte. Wesentlich stärker als Gravitation. Beide haben eine große Reichweite. Schwache WW: Zwischen Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen, Neutronen. Starke WW: Zwischen bestimmten Elementarteilchen (Neutronen, Protonen) Reichweite nur auf atomarer Ebene. Nichtsichtbare Kräfte. Ursache ? Wie wirken sie? Auch im Vakuum, ohne Kontakt. Versuch der Physiker: Vereinheitlichung aller WW zu einer Kraft. 5-5 28.01.2014 5.4.1 Newtonsche Gravitationsgesetz Annahme: 2 Massepunkte F12 Kraft von m1 auf m2 m1 Ursache m2 Wirkung auf F12 F21 actio = reactio r12 r2 r1 m m r F12 1 2 2 12 r12 r12 r12 r12,0 r12 6,67 10 11 Nm 2 kg 2 Gravitationskonstante entgegengesetzt zu r12 Einheitsvektor von m1 nach m2 empirisches Gesetz: Bestimmung von aus Experimenten. Naturkonstante oder „Mogelgröße“ zur Anpassung der Beobachtung an die Theorie. Warum genau diese Zahl ? F ist ein Kraftfeld (Vektorfeld) da F f ( r ) vom Ort abhängig ist. Zentralkraft: Kugel- oder radialsymmetrische Kraft, ausgehend vom Zentrum (Kugelmittelpunkt). Im Abstand r vom Mittelpunkt ist die Kraft const. Beispiele: Schwerefeld der Erde, Kraftfeld einer elektrischen Ladung r 2 -Abhängigkeit (siehe auch Coulombsches Gesetz): im 3-dimensionalen Raum nimmt die Wirkung einer Zentralkraft quadratisch ab. Verteilung der Wirkung auf einer Kugeloberfläche O r2 . Für hypothetischen 2-dimensionalen Raum: Verteilung auf einen Kreisumfang U r also r 1 -Abhängigkeit, für 4-dimensionalen Raum r 3 - Abhängigkeit. 5-6 28.01.2014 Beispiel: 2 Massen mit je 1 kg und 10 cm Abstand F 6,67 10 11 1 1 Nm 2 kg kg 6,67 10 9 N 2 2 2 kg m (0,1) für 2 Personen a 70 kg: F 6,67 10 9 4900 32,6 10-6 N vgl. Anziehung Erde auf 1 kg: F 1 9,81 9,81 N (siehe 5.4.2) d.h. meist venachlässigbar. Nicht bei sehr großen Massen (Kosmologie), oder im atomaren Abstand (AFM)! 5.4.2 Erdbeschleunigung g, Gewichtskraft G Annahme: (Beweis Kap. 10.7 Tipler) Ausgedehnte Kugelmasse: Masse vereint im Kugelmittelpunkt: homogene Massenverteilung F Massepunkt m E m2 m2 g ( r ) r2 g Erdbeschleunigung g (r) Erdoberfläche: mit g (h) r rE h m E 5,98 10 24 kg r rE ( rde ) 6370 km ; g ( h 0) allgemein: mE r2 mE m 9,81 2 2 rE s mE rE h 2 h Höhe über der Erdoberfläche 5-7 28.01.2014 Beispiel: a) Für welche Höhe ist g = 0? b) Für welche Höhe h ist g ( h ) 1 g ( h 0) 2 h = 0: Erdoberfläche mE 1 m 2E 2 2 rE ( rE h ) 2rE2 rE2 2rE h h 2 h 2640 km in 350 km Höhe (ISS): g 350 0,9 g 0 Gewichtskraft G oder Erdanziehung G mg mit g 9,81 m s2 g ist für alle Körper auf der Erde gleich, unabhängig von der Masse, d.h. unterschiedlich schwere Massen (Feder, Eisenkugel) fallen gleich schnell bei Vernachlässigung des Luftwiderstandes): Fallzeit: t 2h (siehe Kap. 4.2.3) g siehe auch Versuch von Aristoteles (Vogelfeder im Vergleich mit Eisenkugel) Versuch: Vakuumrohr Vergleich Feder - Eisenplatte (Video #7) Kraft G hängt von der Masse des Körpers ab, nicht aber die Beschleunigung g (r) mE . Damit gilt: v g t r2 und y 0,5 g t 2 , d.h. die Fallgeschwindigkeit und –zeit sind unabhängig von der Masse des Körpers. Widerspricht der täglichen „Erfahrung“. 5-8 28.01.2014 Versuch: Bestimmung von g (Video #6) Messen der Fallzeit der Eisenkugel mit 3 Zählern s 1 g t2 2 g 2s t2 (siehe 4.1.3 für a = const.) s [m] t [s] g [m s-2] 0,1 0,14 10,2 0,4 0,28 10,2 0,9 0,42 10,2 g ist örtlich nicht konstant: (meist vernachlässigbar) 1. g hängt ab vom Ort: Erde nicht exakt rund und inhomogene Dichteverteilung Für sehr große m z. B. Meer meßbar: Südl. Indien entspricht ca. 110m tiefe „Delle“, bei Neu-Guinea 80m hoher „Berg“ g ( r ) Gravitationsfeld = Vektorfeld 5-9 28.01.2014 Gewichtskraft G ist damit vom Ort abhängig. Die Masse m dagegen ist unabhängig vom Ort = charakteristische Größe eines Körpers. Wie sie zustande kommt ist noch unbekannt: Gibt es eine unteilbare „Elementarmasse“ Beispiel: Waagrechter Wurf auf dem Mond. Erde Mond 1 kg Masse m 1 kg „schwere Masse“ mg 1 kg 9,81 „träge Masse" Horizontaler Stoß a 1 kg a m s2 ~ 1 kg 9,81 m 6 s2 1 kg a d.h. Gewichtheben ist leichter auf dem Mond, Billardspielen ist identisch. „schwere Masse“ und „träge Masse“ sind nicht mehr verwendete Bezeichnungen, da die Massen gleich sind. Besser: “Schwere“ und „Trägheit“ sind Eigenschaften der Masse Einsteinsche Äquivalenzprinzip: Gleichheit der Gravitations- und Trägheitskraft. Ausgangspunkt der allgemeinen Relativitätstheorie (siehe Kap. 13.5). Umgangssprache: Ich wiege 90 kg ist falsch! Richtig: Meine Masse beträgt 90 kg Mein Gewicht = Gewichtskraft G m g 90 N 2. g nimmt ab mit der Höhe ( Abstand 2). Raumschiff auf einer Kreisbahn um die Erde in großer Höhe. Heißt Schwerelosigkeit: g 0 ? Nein: Zentripetalkraft wird benötigt sonst keine Kreisbahn (Raumschiff hat kein Seitenruder, also woher kommt die Kreisbahn ?) Zentripetalbeschleunigung v2 aR r wird benötigt für Kreisbahn (Kap. 4.3.4) Zentripetalkraft v2 FR m r zur Erde hin gerichtet gegeben ist die Erdbeschleunigung g = f(r): Wenn für gegebene r, g: g a R : freier Fall g a R : Schwerelosigkeit g a R : Flucht (kein Kreis) 5-10 28.01.2014 z.B.: Flugzeug in 10 km Höhe mit Zentripetalbeschleunigung: v 1000 km/h v 106 m m 278 3600 s s v2 m 2782 m2 aR 0,012 2 g (h 10 km) 2 r (6400 10) 1000 s m s Erdradius (km) in der Regel vernachlässigbar gegen 9,81 m s-2 9,799 m s-2 das Flugzeug stürzt ab ohne zusätzliche Kraft = Auftriebskraft durch Flügel Offene Fragen nach Newton: 1. Wie schnell ändert sich die Kraftwirkung, wenn eine Masse sich entfernt oder ihre Masse ändert? Unendlich schnell ? Lösung durch Einsteinsche Relativitätstheorie. Maximal mit c. 2. Wieso kollabiert ein statisches Universum nicht auf Grund der Gravitation? Daß es expan- diert, entdeckte Hubble erst 1929. Selbst Einstein glaubte noch an das statische. 5.5 Bezugssysteme und Scheinkräfte 5.5.1 Inertialsysteme Inertialsysteme sind unbeschleunigt Inertia = Trägheit Gedankenexperiment: Unbeschleunigtes System v = const. (ohne Reibung) In beiden Systemen keine Kraft nach 1. Newtons Axiom (v = 0 oder v = const.) Wagen: vWagen 0 = const. vWagen = 0 1. Wahl des Bezugsystems (entspricht Videokamera): 2. S’: S: vBuch 0 vBuch 0 relativ zum Wagen relativ zur Erde vBuch 0 vBuch vWagen 5-11 relativ zum Wagen relativ zur Erde 28.01.2014 3. Ergebnis: a) Es gilt das 1. Newtonsche Gesetz (Trägheitsgesetz). Daher der Name Inertialsystem. b) Die Geschwindigkeit ist abhängig vom Bezugssystem: v Buch x x2 x1 t t Die Ortsdifferenz erfordert einen Bezugspunkt. Auch das Auge erkennt Geschwindigkeiten nur relativ zur Umgebung. c) Es gibt keine Möglichkeit zu entscheiden, wer sich bewegt: Erde oder Wagen, d.h. es gibt keinen ausgezeichneten Ruhepunkt. Beide haben daher das Recht sich als ruhend zu betrachten und es gelten in beiden Systemen die Newtonschen Gesetze. d) Es gibt keine absolute Position oder Raum: Newtonsche Relativität e) Es gibt keine Möglichkeit zu entscheiden, ob 2 aufeinander folgende Ereignisse am gleichen Ort stattfinden. z.B. Ball springt im Wagen auf und ab. e) Newton: die Zeit ist absolut, d.h. unabhängig von der Geschwindigkeit. Erweiterung durch Einsteinsche allgemeine Relativitätstheorie (siehe Kap. 13) 5.5.2 Beschleunigtes System System 2 (S): Erde: in Ruhe Buch bleibt in Ruhe vBuch = 0 (Inertialsystem), da keine Kraft auf das Buch wirkt (reibungsfrei) System 1 (S’): Wagen: beschleunigt Buch wird nach hinten beschleunigt, obwohl keine Kraft auf das Buch wirkt. Widerspruch zum 1. Newtonschen Axiom 5-12 28.01.2014 Auflösung: Einführung einer Scheinkraft ma’ = - ma da System 1 kein Inertialsystem ist. Ein Beobachter auf der Erde sieht das Buch in Ruhe. Eine Kamera im Zug (kein Inertialsystem) sieht das Buch nach hinten fliegen ohne Grund. Scheinkraft: Es gibt keinen Körper, der diese Kraft erzeugt. Die Wirkung aber ist real. Entsteht nur in beschleunigten Bezugssystemen, deshalb auch Trägheitskraft genannt. Für Kreisbewegungen gilt: Beschleunigtes System 5.5.3 Zentrifugalkraft Beispiel: rotierende Scheibe Inertialsystem beschleunigtes System (Kreisbewegung) im System a (Inertialsystem): Beobachter extern (od. Kamera über dem Tisch fest auf dem Boden montiert: Drehbewegung der Masse m: Zentripetalkraft FR m 2 r wird benötigt um das Teil auf der Kreisbahn zu halten; wird von Seil erledigt. Trennen des Seil: Masse fliegt weg. System b (kein Inertialsystem): Beobachter auf der rotierenden Scheibe (od. Kamera auf dem Tisch fest montiert). Rotation heißt beschleunigte Bewegung: Beobachtung: Scheibe rotiert nicht und wenn Seil getrennt wird fliegt Masse nach außen: m liegt in Ruhe auf der Scheibe: v = 0. Beim Trennen des Seils fliegt sie weg, d.h. wird beschleunigt ohne sichtbare Kraft Widerspruch zum 1. Newtonsche Axiom! 5-13 28.01.2014 Einführen einer Scheinkraft: FZ m aZ FR Zentrifugalbeschleunigung: aZ v a R Zentrifugalkraft keine echte physikalische Kraft. Wenn es eine echte physikalische Kraft wäre, müsste die Masse nach dem Durchtrennen des Seils auch mit einer radialen Komponente wegfliegen. Fliegt aber rein tangential! Beispiele: Diskuswerfer, Schleifscheibe und Funken nur tangentiale Bewegung Aufgabe: Berechnen Sie die Zentrifugalbeschleunigung der Erdrotation in München ( = 48° Breite). Radius der Erde: RE = 6,38·106 m aZ FZ 2 r 2 RE cos m d v 2 r 2 1 7,27 10 5 dt r r T 24 3600 s aZ 0,0225 m s2 Senkrechter Anteil aS: Wirkung auf g: aS aZ cos 0,0151 aS 0,154% g Tangentiale Anteil at: Zusätzlich eine geringfügige Ablenkung g’ r s m v s m aZ 2 s Erdrotation Äquator 6,38·106 m 7,27 10 5 464 0,0337 Sonnenumlauf 1,5·1011 m 1,99 107 3·105 0,00594 2,5·1020 m 25000 Lj 0,8 1015 2·105 1,6·10-10 Rotation Galaxie 1 5-14 28.01.2014 5.5.4 Corioliskraft bewegte Masse im rotierenden System (kein Inertialsystem) System a: System b Beobachter außen: Beobachter auf drehender Scheibe: Inertialsystem kein Inertialsystem gerader Flug: keine Kraft Kurvenflug: Ablenkung durch eine zusätzliche Scheinkraft: Corioliskraft für v = const: Wurfgeschwindigkeit nicht Rotationsgeschw. Ball erreicht nach t r / v den Rand In dieser Zeit hat sich der Rand um s r r t v t 2 unter dem Ball weiter bewegt. mit r v t Beobachter auf Scheibe sieht die Ablenkung der Kugel nach hinten und schließt auf eine Beschleunigung s t 2 vgl. konstante Beschleunigung: s s 1 aC t 2 v t 2 2 FC 2 m v vektoriell: gilt auch für v const. 5-15 1 2 at 2 (siehe 4.1.3) aC 2 v FC 2 m v tangential 28.01.2014 Aufgabe: Sie lassen am Äquator in einem Zug, der sich mit mit vZ = 100 km/h nach Osten bewegt einen Ball nach unten fallen (Fallhöhe h = 1m). Wo kommt der Ball im Zug an: Vor, hinter oder genau senkrecht unter dem Startpunkt? a) In einem Inertialsystem (Zug) besteht nach Newton kein Unterschied ob vZ = 0 od. vZ = const. Der Zug wird daher im folgenden als ruhend betrachtet: vZ = 0 b) Steht der ruhende Zug in einem Inertialsystem? Nein, er bewegt sich mit der rotierenden Erde. Erdansicht von oben auf den Nordpol Rotiationsgeschwindigkeit der Erde: va ra vb rb va Abwurfgeschw. va in 1 m Höhe ist größer als die Geschwindigkeit vb am Boden. Vergleichbar einem Wagen mit linearer Bewegung, der während des Fluges des Balls nach unten auf vb abgebremst wird. Der Ball landet in Erddrehrichtung vor dem Startpunkt. Coriolisbeschleunigung: aC 2 vF Wie groß ist die Verschiebung? c) Fallhöhe h 1 2 gt F 2 Fallzeit 2h g tF und Fallgeschwindigkeit: vF g t keine Vektoren, da am Äquator vF aC 2vF 2 g t tF vC aC dt g t 2 vC 0 mit vC 0 0 ; 7,27 10 5 2h 1 1 s g t dt g t F3 g 3 3 g 0 2 3 2 1 s 1 8h 3 22 μm meist vernachläßigbar 3 g Für h = 100 m: s = 22 mm Weitere Anwendung: Hoch- und Tiefdruckgebiete, Foucaultsches Pendel 5-16 28.01.2014 5.6 Kontaktkräfte (Feder, Reibung) 5.6.1 Federkraft FR im statischen Gleichgewicht: v = 0 F FR 0 FR F K ( x x0 ) K x K Federkonstante Hooke´sche Gesetz N m x0 meist = 0 Ruhelage (freie Wahl der Koordinaten) Ziehen: x 0 neg. Kraft = Rückstellkraft (FR entgegen x) Hooke´sche Gesetzt gilt nur im elastischen Bereich, kleine Auslenkung, keine plastischen Verformungen. Beispiel: masselose Feder Im statischen Gleichgewicht: keine Bewegung v 0 Fges 0 G FR 0 ; mg K x 0 x in g Richtung m K x g Federwaage, Messen von x 5-17 28.01.2014 5.6.2 Reibung Beobachtung: Schieben einer Kiste: Zuerst großer Widerstand bis Kiste in Bewegung Haftreibung. Dann etwas kleinerer Widerstand Gleitreibung Versuch: Förderband: Übergang von Haft- auf Gleitreibung (Video #8) Haftreibung: Gedankenexperiment: von was hängt die Reibung ab? FN = Normalkraft zur reibenden Fläche doppelte Masse doppelte Reibungskraft Größere Fläche = größere Reibung aber kleinerer Auflagedruck FReibung f (m g ) FReibung f ( A) Haftreibung (keine Bewegung): für v = 0: FH H FN F ≤ FH FH FN Näherung ! Betrag wg. unterschiedlichen Richtungen von FH und FN µH Haftreibungszahl H = f (Oberflächenbeschaffenheit, Material) für F > FH Bewegung Gleitreibung FG G FN G H Näherung ! Betrag wg. unterschiedlichen Richtungen von FG und FN µG Gleitreibungszahl G = f (Geschwindigkeit) für große v 5-18 28.01.2014 Ursache der Reibung: - mikroskopische Rauhigkeit - Wechselwirkung der Moleküle - noch nicht vollständig verstanden (Tribologie) Tabelle 5.1: Näherungswerte einiger Reibungszahlen Materialien H G Stahl auf Stahl 0,7 0,6 Blech auf Stahl 0,5 0,4 Kupfer auf Gußeisen 1,1 0,3 Glas auf Glas 0,9 0,4 Teflon auf Teflon 0,04 0,04 Teflon auf Stahl 0,04 0,04 Gummi auf Beton (trocken) 1,0 0,8 Gummi auf Beton (naß) 0,3 0,25 Gewachster Ski auf Schnee (0°C) 0,1 0,05 Gummi auf Asphalt 0,8.....1,1 0,7....0,9 Eis-Eis (0°C) 0,05.....0,19 0,02 Beispiel: Schiefe Ebene Frage: max. Steigungswinkel kurz vor dem Gleiten Kräfte am Körper: in y-Richtung: Fy FN FGy 0 wg. ay = 0 FGy m g cos FN m g cos 5-19 28.01.2014 Fx FGx FR 0 in x-Richtung: gerade noch keine Bewegung: ax = 0 FGx m g sin FR FN H Mit Haftreibung FGx FR mg sin H m g cos Ergebnis: H tg für größere Winkel: Gleiten d.h. a x 0 Fx FGx FR m a x ax entgegen x-Richtung m g sin G m g cos m a x Ergebnis: a x g (sin G cos ) Antrieb Bremsen Sonderfall: ax = 0 für G Beispiel Reifen: beschleunigtes Gleiten sin tg vx = const (Gleiten mit konstanter Geschw.) cos Rollen ̂ Haftreibung. Durchdrehen oder Blockieren ̂ Gleitreibung ABS-System. Breitreifen: Einfluß der Fläche über Verformung (nicht bei steifen Reifen). Mehr Kleben als Reibung. 5-20