Dynamik 4.Vorlesung EP I) Mechanik 1. Kinematik 2.Dynamik Fortsetzung a) Newtons Axiome (Begriffe Masse und Kraft) b) Fundamentale Kräfte c) Schwerkraft (Gravitation) d) Federkraft e) Reibungskraft Versuche: Zwei Leute auf Skateboards: Kraft = Gegenkraft Zwei Schlitten auf Luftschiene: Kraft = Gegenkraft Rakete mit Luft/Wasser Beschleunigung von träger Masse (Schlitten) und schwerer Masse (Gewicht) Feder = Kraftmessgerät Haft- und Gleitreibung 1 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Träge Masse mi ist eine grundlegende Eigenschaft von Körpern Versuche auf Luftkissenschiene und Skate board zur Impulserhaltung und Masse: z. B. Massen zunächst in Ruhe: r r v1 = v 2 = 0 Nach Wechselwirkung (interner Kraftwirkung) r r m 1v1 + m 2 v 2 = 0 m1 v =− 2 m2 v1 Masse mi ist Eigenschaft des Körpers und kann durch Vergleichsmessung mit Referenzmasse bestimmt werden. Masse ist unsere 3. Basisgröße. Referenzmasse, d. h. Basis(Maß)einheit für träge Masse m 1 Kilogramm = 1 (kg) liegt als Urkilogramm bei Paris (Masse 1 kg entspricht ungefähr der Masse von 1 (dm)3 = 1 Liter Wasser bei 4°C, 1 bar Druck) 2 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Das 2. Newtonsche Prinzip beschreibt empirischen Zusammenhang zwischen Kraft und zeitlicher Änderung des Impulses p=mv: r F = r ∆ (p) ∆t und definiert Einheit der Kraft (1 Newton) auf der Basis der 3 Basiseinheiten m, s, kg: kg ⋅ m 1[N] = 1[Newton] = 1 2 s 3 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik b) Fundamentale Krä Kräfte Es gibt in der Natur 3 fundamentale Krä Kräfte, die zwischen Elementarteilchen wirken: ● Schwerkraft (Gravitation) > wirkt auf Masse oder Energie: Führt zur Bildung (Massenakkretion) und Bewegung von Planeten, Sternen, Galaxien... ● ElektroElektro-MagnetischMagnetisch-Schwache Kraft (oder kurz: Elektroschwache Kraft) > wirkt auf elektrische und schwache Ladung: Elektrische Anziehung führt zur Bildung von Atomen, Molekülen, Festkörper ...; schwache Kraft führt zur Umwandlung Neutron ⇄ Proton, Fusion pp zu d auf Sonne, Kernzerfälle > Unser Alltag wird von elektromagnetischen Kräften beherrscht: Muskelkräfte, Reibungskräfte, thermodynamische Kräfte sind auf molekularer Ebene elektromagnetische Kräfte ● Starke Kraft >wirkt zwischen Quarks, Gluonen: Bindung von Quarks zu Proton (p), Neutron (n) und von p und n zu Kernen, Ursache von Kernkräften Alle Krä Kräfte kö können auf diese 3 elementaren Krä Kräfte zurü zurückgefü ckgeführt werden. 4 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Schwerkraft c) Schwerkraft Trä Trägheit und Gewichtskraft Beobachtungen: Gegenstände auf der Erdoberfläche werden beschleunigt (Erdbeschleunigung, siehe Experiment mit evakuiertem Fallrohr) Damit Gegenstand nicht fällt, ist eine (Halte-) Gegen-Kraft notwendig Versuche zur Beschleunigung im Erdfeld: 1.Fallender 1.Fallender Gegenstand Beschleunigte Bewegung mit Erdbeschleunigung g, d.h. nach Newtons Newtons Gesetz 2 wirkt auf den Kö Diese Kraft heiß Körper die Kaft: Kaft: FG = m g. heißt Gewicht! Gewicht! (Man sollte als Physiker eigentlich nicht sagen, „das Gewicht von X ist Y kg“ – Die Masse ist Y kg, das Gewicht auf der Erde ist dann 9.81 mal Y Newton) Als verkürzte Sprechweise für „das Gewicht ist wie das einer Masse X von Y kg“ akzeptiert) 5 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Schwerkraft 2. Versuch: Fallender Gegenstand (Masse mG) zieht , d.h. beschleunigt zweite Masse (Schlittenmasse mS) Gesamtmasse = mGesamt =mG + mS wird beschleunigt durch Kraft FG = mG g Gewicht = beschleunigende Kraft: F = mG ⋅ g = mGesamt⋅ a = (ms + mG) ⋅ a Die Beschleunigung wird also durch die zusätzliche (Schlitten) Masse verringert! Der Versuch veranschaulicht die begriffliche Unterscheidung zwischen träger und schwerer Masse. träge Masse = Ursache des Beharrungsvermögens schwere Masse = Quelle der Gravitationskraft Empirisch sind beide gleich. EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler 6 Dynamik Schwerkraft Newtons Gravitationsgesetz: Zwischen 2 Körpern wirkt eine Kraft, die von den Massen der Körper abhängt: M1 ⋅ M 2 F = GN r2 Richtung der Kraft (anziehend) siehe Skizze mit GN = 6,67 10-11 Nm 2 2 kg Einschränkung: Dieses einfache Gesetz gilt nur, wenn Abstand r größer als Summe der Radien der beiden Körper. Für Punktmasse M2 innerhalb Körpers M1 nimmt F mit r ab. 7 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Schwerkraft Spezialfall: Schwerkraft auf der Erdoberfläche: Masse der Erde M1 = MErde (= 6 ⋅ 1024 kg) und Radius r (= 6400 km) ergibt: 24 M1 ⋅M 2 −11 6 ⋅10 ⋅ M 2 F = GN = 6,67⋅10 2 2 r 6400000 ≈ 9,81 m/s² M2 Erdbeschleunigung g =9.81 m/s² m/s Gewicht = Kraft, die Erde auf Körper ausübt. Allgemeine Aussagen (empirisch): 1. Erdbeschleunigung g hängt nicht von M2 ab Versuch mit evakuiertem Fallrohr: Feder und Stein fallen gleich schnell 2. Postulat: Schwere und träge tr ge Masse sind identisch! (Einstein→ (Einstein allgemeine Relativitätstheorie). Relativit tstheorie). Damit wird begriffliche Trennung (siehe Versuch S.7) zwischen träger tr ger und schwerer Masse aufgehoben. 8 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Federkraft d) Federkräfte Federkr fte Äußere Kräfte bewirken eine elastische Verformung von Festkörpern wie Stahl (siehe deformierbare Medien). Gegenkraft kommt letztlich durch elektromagnetische Kräfte zwischen Atomen zustande. Für "kleine" Kräfte F und kleine Verformungen x (besser „Δx“) gilt ein linearer Zusammenhang: r r F = −D x D ist die "Federkonstante“, F die Kraft, ´mit der die Feder zieht´. Einheit von D : [N/m] Federn können als Kraftmesser eingesetzt werden. "Newtonmeter", "Dynamometer„ siehe Versuch EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler 9 Dynamik e) Reibung: Reibung Mußte in unseren Versuchen unterdrückt werden; im Alltag lebensnotwendig (Gehen, Bremsen ..) Reibung ist durch elektrische Kräfte zwischen Atomelektronen an den Grenzflächen bedingt Einfachste Formen: a) Haft-, Gleit-, Rollreibung b) innere Reibung bei Flüssigkeiten (Stokes) Erfahrung: Um einen Körper in Bewegung zu setzen, ist eine Kraft FR notwendig, die proportional zur Normalkraft FN und der Art der Oberfläche ist. = mg r r FRH = µ H FN µΗ : Haftreibungs-Koeffizient (0.05-0.8) 10 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik Reibung Die Haftreibung hängt nur von der Normalkraft ab, nicht von der Größe der Auflagefläche. Rutscht der Körper, dann nimmt die Reibungskraft ab F Versuch: (Ziehen mit Newtonmeter) r r r FRG = µG FN ≤ µ H FN t EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler 11 Dynamik ANHANG fü für Interessierte: Rollreibung durch Verformung von Rad und Untergrund: Stokes Reibung (Viskose Reibung) Wann: fester Körper, der sich langsam durch Fluid bewegt, mit Relativgeschwindigkeit v FR ~ v Beispiel: Kugel mit Radius r in Fluid mit Viskosität η FR = 6 πηrv [Versuch zur Stokes-Reibung] 12 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler Dynamik ANHANG fü für Interessierte: Newton Reibung Bei schneller Bewegung! (Wirbelbildung). Der Körper verdrängt und beschleunigt Fluidteile FR ~ v 2 FR = 0.5C WρAv 2 Mit ρ = Dichte des Fluids, A = Querschnitt des Körpers senkrecht zur Bewegungsrichtung, v = Geschwindigkeit und Widerstandskoeffizient CW (formabhängig) Kugel CW = 1, Auto CW = 0.2 – 0.5 Bei konstanter Kraft wird die maximale Geschwindigkeit durch die Reibung bestimmt: FR (v) = Fext Beispiel: Auto mit CW = 0.5; A = 2m² ρLuft = 1.3 kg/m³ Maximale Leistung WMax = 100 kW, Fext = WMax /v 2WMax 1 WMax m km 2 = 53 = 192 FR = C WρAv = Fext = → v max = 2 v s h C WρA 13 EPI WS 2008/09 Dünnweber Faessler