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Im heutigen Beispiel geht es um die Bewegung zweier Massen auf einem Doppelkeil, die mit einem Seil verbunden sind. Hier berechnen wir auch ausnahmsweise eine Kraft im Rahmen der Lagrange-Mechanik.

Zwei Massen m1 und m2 bewegen sich unter dem Einfluss der Schwerkraft reibungsfrei auf einem Keil. Sie seien durch einen masselosen Faden der Länge l = r1 + r2 miteinander verbunden.

Ges.:
*Formulieren Sie die Zwangsbedingungen. Von welchem Typ sind diese? Wie viele Freiheitsgrade s besitzt das System?
*Wählen Sie passende generalisierte Koordinaten. Geben Sie die Transformationsformeln an.
*Formulieren Sie die Lagrange-Funktion.
*Stellen Sie die Bewegungsgleichung auf und lösen Sie diese unter Berücksichtigung der Randbedingungen r1 (t=0) = r0 und v1(t=0) = 0. Stellen Sie außerdem die Gleichgewichtsbedingung für das System auf.
*Benutzen Sie die Zwangsbedingung der konstanten Fadenlänge nicht als holonome Zwangsbedingung zur Eliminierung von Variablen. Benutzen Sie stattdessen einen Lagrange’schen Multiplikator λ zur Festlegung der Fadenkraft. Wie groß ist diese im Gleichgewicht?

Aufgabe 1.2.11 (S. 51) aus W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik, Bd.2, Analytische Mechanik, 4. verb. Auflage, 1999, Vieweg+Teubner, Wiesbaden

Die Angabe gibt es auch hier wieder als Download inkl. Endergebnissen. Ihr könnt also auch dieses Beispiel zuerst selbst rechnen und dann mit der Musterlösung vergleichen.

In diesem Beispiel zur Lagrange-Mechanik sehen wir uns im Detail an, was Zwangsbedingungen eigentlich sind und wie diese aufgestellt werden. Dann wählen wir anhand dieser Diskussion geeignete generalisierte Koordinaten und stellen wie üblich kinetische und potentielle Energie sowie die Lagrange-Funktion auf. Die Bewegungsgleichung (in diesem Fall ist es nur eine) bestimmen wir aus der Euler-Lagrange-Gleichung und lösen diese dann auch um das Bewegungs-Zeit-Gesetz zu bestimmen. Dann überlegen wir uns wie das allgemeine Gleichgewicht im System aussehen wird. Am Ende bestimmen wir auch noch die Fadenkraft mithilfe eines sogenannten Lagrange-Multiplikators, also unter zu Hilfenahme einer Zwangskraft. Wie diese Rechnung Schritt-für-Schritt funktioniert erkläre ich euch wieder im angehängten YouTube Video.

Bei Fragen schreibt bitte hier oder auf YouTube einen Kommentar. Ich werde eure Fragen wie immer schnellstmöglich beantworten.

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Viel Spaß mit diesem Beispiel und bis bald,
Markus

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