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Wir wollen uns in diesem Beitrag ein relativ komplexes Beispiel aus der Dynamik ansehen und dieses Mittels der Methode von Lagrange lösen.
Ein homogener Hohlzylinder (Masse M, Radius R) sei im Schwerefeld g=−g*ez um eine horizontale Achse durch den Mittelpunkt P drehbar gelagert. In diesem Hohlzylinder rollt ein homogener Vollzylinder (Masse m, Radius r) ohne zu gleiten. Die beiden Zylinderachsen seien parallel.
Zusätzliche Angaben:
O und P raumfeste Punkte, A,B,C und S körperfest auf den Zylindern, sodass im Gleichgewicht C auf O, B auf O und S auf PO liegen,
ψ: Auslenkung des Hohlzylinders aus der Gleichgewichtslage,
χ: Auslenkung des Vollzylinders aus der Gleichgewichtslage,
φ: Winkellage des Schwerpunktes des VollzylindersFormulieren Sie die Zwangsbedingungen und legen Sie die generalisierten Koordinaten fest. Bestimmen Sie die Lagrange-Funktion. Wie lauten die Bewegungsgleichungen? Bestimmen Sie die Eigenfrequenz im Fall kleiner Auslenkungen.
Quelle: Aufgabe 1.2.12 (S. 51) aus W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 2, Analytische Mechanik, 2011, Springer, Berlin
Die Angabe kann wie gewohnt hier heruntergeladen werden.
Die Schwierigkeit in diesem Beispiel liegt vor allem im Aufstellen der Zwangsbedingung (Abrollbedingung), sowie in der Tatsache, dass eine Auslenkung des Vollzylinder-Schwerpunkts bereits auch ein Rollen des Vollzylinders bedingt. Andernfalls würde der Zylinder ja rutschen müssen. Diese Tatsache muss beim Aufstellen der kinetischen Energie besonders berücksichtigt werden. Wir nehmen uns daher im Video genug Zeit das zu tun. Wenn allerdings diese Hürde einmal genommen ist, handelt es sich um ein standardmäßiges Lagrange-Beispiel. Wir erhalten wie gewohnt die Bewegungsgleichungen aus der Lagrangefunktion durch Anwendung der Euler-Lagrange Gleichungen und können diese anschließend linearisieren. Aus der linearisierten Form erhalten wir schließlich auch die gesuchte Eigenkreisfrequenz. Für die Details schau dir bitte wieder das Video an und versuche die einzelnen Schritte möglichst gut nachzuvollziehen. Wenn Fragen auftauchen melde dich bitte sehr gerne in den Kommentaren bei mir. Dafür stelle ich dieses Angebot schließlich zur Verfügung.
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Viel Spaß mit dem Beispiel und bis bald,
Markus
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