I)1. Kinematik I) Mechanik 1.Kinematik (Bewegung) 2. Dynamik von Massenpunkten (Einfluss von Kräften) 3. Starre Körper 4.Deformierbare Medien 5. Schwingungen, Wellen, Akustik EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik I)1. Kinematik = Bewegungslehre (Ziel: Quantitative Beschreibung der Bewegung von Objekten in Raum-Zeit) Beschreibung benötigt: a) ein Bezugssystem für 3-dim. Raum und Maß für Länge(=Strecke) b) ein Bezugssystem für Zeit (Uhr) und Maß für Zeitabstand(=Zeitintervall) Zeitabstand und Länge sind Basisgrößen. Zugehörige Basiseinheiten (Referenzmaß) sind die Sekunde (s) und der Meter (m). Definition der beiden Basiseinheiten: 1s = das Zeitintervall, in dem die Cäsium-Atomuhr 9192631770 mal schwingt 1m = Strecke, die Licht im Vakuum in (1/299792458) s zurücklegt Beispiel für Raumbezugssystem: rechtwinklig rechtshändig EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Zunächst betrachten wir: Bewegung von (Massen)-Punkten Die klassische* Beschreibung der Bewegung von (Massen-) Punkten nimmt an: Für jeden Zeitpunkt t befindet sich der Massenpunkt an einem eindeutigen Ort im Raum. Ort beschrieben durch Ortsvektor, Funktion von t: r r ( t ) = ( x ( t ), y( t ), z( t )) wobei x(t), y(t) und z(t) die drei Ortskoordinaten im gegebenen dreidimensionalen Raumbezugssystem sind. *Bei der quantenmechanischen Beschreibung der Bewegung von mikroskopischen Teilchen gilt diese Annahme nicht. EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Länge und Zeitabstand (Basisgrößen): Zunächst in 1 Raum-Dimension: Orte eines Massenpunktes auf einer geraden Linie des Raumes, z.B x-Koordinate, werden vollständig beschrieben durch x(t), r weil Ortsvektor sich vereinfacht zu r ( t ) = ( x ( t ), 0 , 0 ) Zeitdifferenz von zwei Zeiten t1 und t2 : t2-t1 = ∆t positiv oder negativ Zeitabstand = abs(∆t) = |∆t| immer positiv Ortsdifferenz x(t2) –x(t1) = x2 – x1 = ∆x positiv oder negativ, Orts-Abstand |∆x| positiv = Weglänge In 3 Raum-Dimensionen gilt für den Abstand= kürzeste Weglänge (Erweiterung r 2 2 2 des Pythagoras-Satzes): | ∆r | = (∆x + ∆y + ∆z ) (Länge eines länglichen Objekts = größter Abstand von zwei Raumpunkten des Objektes). EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Wichtiger Grundbegriff der Kinematik: Geschwindigkeit v, beschreibt zeitliche Änderung des Orts eines Objektes; v ist eine abgeleitete physikalische Größe. Definition: x 2 − x1 v12 = t 2 − t1 oder v= v=0 ∆x ∆t wobei x1= x(t1) usw. und obige Definition die Bewegung eines Punkts in 1 Dimension (x), z.B. entlang einer (Luftkissen)-Schiene, beschreibt. Gleichförmige Bewegung: der Punkt bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit v (hier mit v1 > v2) Beschleunigte Bewegung: Die Geschwindigkeit verändert sich mit der Zeit ( Abbremsung oder Beschleunigung ) EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Versuche: Messung von Geschwindigkeiten - Gewehrkugel mittels zweier schnell rotierender Scheiben 25 Umdrehungen/s = 25 mal 360Grad pro s daraus folgt 1 Grad ←→ (1/9000) Sekunde gemessen: x2-x1 = 0.5 m und t2-t1 = (1/600) s aus Winkel= 15 Grad ergibt v= 300 m/s -Lichtgeschwindigkeit mittels eines reflektierten kurzen Lichtpulses, Lichtsensors und zeitlich hochauflösenden Oszilloskops x2-x1 = (30 ± 0.1 )m t2-t1 = (100 ± 1 ) ns ergibt v = 300000 km/s EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Bei veränderlicher Geschwindigkeit, d.h. beschleunigter Bewegung: Durchschnittsgeschwindigkeit für Intervall ∆t i ∆xi vi = ∆ti Momentangeschwindigkeit v(t) ergibt sich aus dem Grenzwert (Differentialquotient oder Ableitung) ∆t →0 : dx v(t) = dt Umgekehrt erfordert die Berechnung der zurückgelegten Strecke, bei gegebener Geschwindigkeit v(t) eine Integration von v(t) oder, für endliche Zahl von endlich großen Intervallen folgende Summe: ∆x = ∑ v i ⋅ (∆t)i i für (∆t)i → 0 t2 ist ∆ x = ∫ v dt t1 EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik ∆v v 2 − v1 dv = → ∆t t 2 − t1 dt Bei konstanter Beschleunigung ergibt Integration eine: Lineare Zunahme der Geschwindigkeit und quadratische Zunahme der Position, Ableiten a= Integrieren Zeitliche Änderung der Geschwindigkeit -> Beschleunigung a (acceleration) siehe Bilder rechts und Herleitung nächste Seite. EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler I)1. Kinematik Bei konstanter Beschleunigung ∆v a= = constans gilt: ∆t Geschwindigkeitsänderung in der Zeit ∆t: ∆v = a ∆t Wenn die Geschwindigkeit zur Zeit t=0 den Wert v0 hatte, dann ist sie nach der Zeit t (∆t = t - 0) („Integration von a über Zeit“) : v = a t + v0 Durchschnittsgeschwindigkeit : vmittel = ½( vmin +vmax) = ½( v0 + a t + v0) In Zeit t zurückgelegter Weg Ort zur Zeit t: : ∆x = vmittel t = ½a t2 + v0 t („Integration von v über die Zeit“) x = ∆x +x0 mit v0 = Anfangsgeschwindigkeit und x0 = Anfangsort 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 EP WS 2008/09 Dünnweber/Faessler