Dynamik (Zentripetalkraft und Bahnimpuls) der Kreisbewegung
Inhaltsverzeichnis
Beispiele
Wie ist wohl dieses schöne Muster zustandegekommen?
Wie schafft es der Hammerwerfer diese Stahlkugel so weit zu werfen? Video: Weltrekordwurf von Youri Sedykh
Wenn man einen Milchaufschäumer zum Reinigen...
in einen Wasserstrahl hält...
spritzt das Wasser nach allen Seiten weg.
Sitzt du lieber Außen oder Innen?
Warum schneidet man beim Motorradrennen die Kurve?
Video: Die Kurve schneiden
Wikipedia: Ideallinie
Versuch: Tennisball schleudern
Simuliert den Hammerwurf oder die Matsch-/Wasserspritzer. Wie fliegt der Hammer (der Matsch, das Wasser) weg?
Versuch: Karussell fahren
- Aufbau
Ein kleines Karussell mit Playmobilfiguren.
- Beobachtung
Bei langsamer...
und schneller Fahrt.
Versuch: Rutschende Münzen/fallende Männchen/rollende Kugeln
Münzen, Kugeln, Männchen drehen sich mit der gleichen Frequenz in unterschiedlichem Abstand zum Mittelpunkt auf einer drehenden Scheibe (Plattenspieler)
Wer fällt als erstes um?
Um die Kurve fahren
Warum schneidet man beim Motorradrennen die Kurve?
qualitative Ergebnisse
- Eine Kraft hält den Gegenstand auf der Kreisbahn. Sie wirkt senkrecht zur Bahn in Richtung des Mittelpunkts der Kreisbewegung.
- Ohne diese "Zentripetalkraft" fliegt der Gegenstand tangential auf einer geraden Linie weg!
- Hammerwerfen: Je größer die Masse des Gegenstandes und je größer die Frequenz, desto größer muß die Zentripetalkraft sein.
- Karussell fahren: Bei gleicher Frequenz braucht man weiter Außen die größere Zenripetalkraft!
- Kurve fahren: Bei gleicher (Bahn)Geschwindigkeit braucht man für eine engere Kurve die größere Zentripetalkraft!
- Durch die Zentripetalkraft wird der Gegenstand nicht schneller. Die Zentripetalkraft ändert ständig die Richtung des Impulses, aber nicht die Menge des Impulses! Auch die Energiemenge bleibt konstant.
Versuch: Messung der Zentripetalkraft
- Aufbau
Ein kleiner Wagen ist auf einer Schiene befestigt. Die Schiene kann mit einem Motor unterschiedlich schnell gedreht werden.
Eine Schnur ist an einem Kraftsensor und über eine Umlenkrolle am Wagen befestigt. Dreht sich die Schiene, so zieht die Schnur am Wagen und hält ihn so auf einer Kreisbahn. Diese Zentripetalkraft wird mit einem Kraftsensor gemessen.[2]
Die Zentripetalkraft wird dann in Abhängigkeit vom Radius, der Winkelgeschwindigkeit und der Masse des Wagens gemessen. Dazu verändert man jeweils eine Größe und läßt die anderen konstant. Insbesondere ist von Interesse, wie sich bei einer Verdopplung des Radiuses oder der Winkelgeschwindigkeit oder der Masse die notwendige Zentripetalkraft ändert.
Mit einer Handstoppuhr kann man die Umlaufdauer ermitteln, am besten indem man die Zeit für 10 Umläufe bestimmt.
Die Masse wird mit einer Waage bestimmt.
- Messungen
- Ergebnisse
Berechnung der Zentripetalkraft
Ein Gegenstand mit bekannter Masse [math]m[/math] umläuft ein Drehzentrum im Abstand [math]r[/math] und der Winkelgeschwindigkeit [math]\omega[/math].
- Welche Zentripetalkraft benötigt man, um den Gegenstand auf der Kreisbahn zu halten?
Die Bewegungsgleichungen der Kreisbewegung beschreiben den zeitlichen Verlauf des Ortes, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung:
- [math] \begin{array}{rrr} \vec s(t)= \;\;\;\; r \begin{pmatrix} \;\;\cos(\omega\,t) \\ \;\;\sin(\omega\,t) \end{pmatrix} = & \;\;\;\; r \ \vec {s_0} & \\ \vec v(t)= \;\omega\, r \begin{pmatrix} -\sin(\omega\,t) \\ \;\;\; \cos(\omega\,t) \end{pmatrix} = & \;\omega\, r \ \vec {v_0} \\ \vec a(t)= \omega^2\, r \begin{pmatrix} -\cos(\omega\,t) \\ -\sin(\omega\,t) \end{pmatrix} = & \omega^2\, r \ \vec {a_0} \end{array} [/math]
Der Impuls des Gegenstandes ist parallel zur Geschwindigkeit ([math]\vec p = m \, \vec v[/math]), man muss nur mit der Masse multiplizieren.
Die Kraft erhält durch Ableiten des Impulses ([math] \vec F = \dot {\vec p}[/math]) oder als das m-fache der Beschleunigung ([math]\vec F = m \, \vec a[/math]):
[math] \begin{array}{cc} \vec s(t)= \;\;\;\; r \ \vec {s_0} & \\ \vec v(t)= \;\omega\, r \ \vec {v_0} & \vec p(t)= m\,\omega\, r \ \vec {v_0} \\ \vec a(t)= \omega^2\, r \ \vec {a_0} & \vec F(t)= m\,\omega^2\, r \ \vec {a_0} \end{array} [/math]
Wie zu erwarten ist der Impulssvektor tangential zur Kreisbahn und die Kraft zeigt zur Kreismitte. Die Zahl vor dem Vektor ist der Betrag des Impulses und der Zentripetalkraft. Der Betrag des Impulses und der Kraft ändert sich nicht mit der Zeit, nur die Richtung von Impuls und Kraft ändern sich ständig.
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Bewegt sich ein Gegenstand der Masse [math]m[/math] mit der Winkelgeschwindigkeit [math]\omega[/math] im Abstand [math]r[/math] um ein Drehzentrum, so hat er den Impuls [math] \vec p [/math] mit:
Um den Gegenstand auf der Kreisbahn zu halten, benötigt man eine Zentripetalkraft [math]\vec F[/math] mit:
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Formeln
Für gegebene Winkelgeschwindigkeit
Beschreibt eine Situation, in der die Frequenz, Umlaufdauer oder Winkelgeschwindigkeit festgelegt ist. Z. B. eine Waschmaschine, Karussell, Plattenspieler, etc.
Die obige Berechnung der Impuls- und Kraftvektoren lieferte den Betrag der Zentripetalkraft. Mit [math]\omega = 2\,\pi\,f = \frac{2\,\pi}{T}[/math] läßt sich die Winkelgeschwindigkeit auch mit der Frequenz oder der Umlaufdauer berechnen.
- [math]F = m \, \omega^2 r = m \ 4\, \pi^2 \! f^2 \; r = m \, \frac{ 4 \, \pi^2 }{T^2} \, r[/math]
Die Zentripetalkraft ist bei fester Frequenz proportional zum Radius! (doppelter Radius - doppelte Kraft)
Für gegebene Bahngeschwindigkeit
Beschreibt eine Situation, bei der die Bahngeschwindigkeit festgelegt ist. Z. B. ein Fahrrad (Auto, Inliner, ...), das in die Kurve fährt.
Man setzt dazu die Winkelgeschwindigkeit [math]\omega = \frac{v}{r}[/math] ein und kürzt mit dem Radius [math]r[/math]:
- [math]F=\frac{m \, v^2}{r}[/math]
Die Zentripetalkraft ist bei fester Bahngeschwindigkeit antiproportional zum Radius! (doppelter Radius - halbe Kraft)
Mischform mit Impuls
Mit [math]p = m \, v[/math] und [math]v=\omega \, r[/math] kann man die Größe der benötigten Zentripetalkraft auch mit dem Impuls ausdrücken:
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Die Zentripetalkraft ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit und zur Impulsmenge:
"Man benötigt eine große Kraft um viel Impuls stark abzulenken."" |
Im Falle der konstanten Winkelgeschwindigkeit steigt die Impulsmenge und damit auch die Kraft proportional zum Radius. Denn bei doppeltem Radius verdoppelt sich auch der Umfang und somit die Bahngeschwindigkeit und der Impuls.
Im Falle der konstanten Bahngeschwindigkeit ist auch der Impuls konstant. Die Winkelgeschwindigkeit und damit auch die Kraft ist antiproportional zum Radius. Denn bei doppeltem Radius ist die Winkelgeschwindigkeit nur noch halb so groß.
Merkregel
Links
- youtube: hammer throw: 1986 Youri Sedykh's World Record Series
- Hammerwerferin Tatyana Lysenko
- Wikimedia Commons: Bilderserie zum Hammerwerfen
Fußnoten
- ↑
Befestigung der Stativstangen
Befestigung des Motors
Befestigung des Kraftsensors
- ↑ Der Sensor hat gegenüber einem Federkraftmesser den Vorteil, dass er sich nur unwesentlich dehnt und dadurch den Radius der Kreisbewegung fast nicht ändert.
Zeugs
Handversuch: Gummiprofen an Schnur durch Rohr
Viele Möglichkeiten
Genaue Vorgaben machen
ZB Abhängigkeit Frequenz - Kraft
Radius - Kraft
Masse - Kraft
