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Relativkinetik: Block rutscht auf Keil

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Herzlich Willkommen!

Das letzte der nachzuholenden Beispiele ist noch einmal aus der Relativkinetik. Allerdings handelt es sich um eher untypische Relativkinetik. Warum, werden wir weiter unten besprechen. Zuerst aber zur Angabe.

Ein Keil der Masse m2 und des Neigungswinkels α kann sich entsprechend der Abbildung auf einer horizontalen Ebene bewegen. Auf dem Keil befindet sich im höchsten Punkt ein Quader, der aus der Ruhelage heraus reibungsfrei nach unten rutscht.

Geg.:
m1 = 3 kg, m2 = 6 kg, α = 30°, l = 1.2 m

Ges.:
*Beschleunigung des Quaders und des Keils.
*Geschwindigkeit des Quaders und des Keils, wenn der Quader seine tiefste Lage erreicht.
*Verschiebung des Keils, wenn der Quader seine tiefste Lage erreicht.

Quelle: Aufgabe D34 (S. 356) aus J. Berger, Klausurentrainer Technische Mechanik, 2. Auflage, 2008 Vieweg+Teubner, Wiesbaden

Und wie immer die Angabe zum Download:

relativkinetik_r04Herunterladen

In der Einleitung habe ich es schon angesprochen: Dieses Beispiel ist etwas unüblich für Relativkinetik. Wir müssen hier nämlich mit den Schwerpunktsätzen starten und können uns erst damit die relevanten Beschleunigungen ausrechnen. Normalerweise ist es umgekehrt. Daher ist besonders hier ein sauberes Freikörperbild essentiell. Zur besseren Veranschaulichung fertigen wir sogar zwei separate Freikörperbilder an. Eines für die Kräfte und eines für die Beschleunigungen. Damit können wir dann die Schwerpunktsätze aufstellen und uns daraus und mit Hilfe kinematischer Zusammenhänge alle gefragten Werte berechnen. Die Rechenschritte im Detail, besprechen wir ausführlich im YouTube Video.

Bei Fragen oder Anmerkungen zu Beispiel oder Rechenweg bitte einfach hier oder auf YouTube einen Kommentar hinterlassen. Ich freue mich auf eure Rückmeldungen.

Hat euch das Video gefallen? Dann lasst bitte ein Like hier auf dem Blog und auf YouTube da. Abonniert auch unbedingt den Kanal um kein Video mehr zu verpassen. Vielen Dank!

Bis morgen mit einer weiteren Einheit zur Theorie,
Markus

Kreisel als Drehzahlmesser verwenden

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Herzlich Willkommen!

Das vorletzte der Beispiele die ich hier nachholen möchte ist ein Kreisel. Konkret wollen wir den Kreisel als Drehzahlmesser verwenden und sehen uns an wie wir das zu Stande bringen können. Die Angabe lautet:

Ein Kreisel kann auch als Drehzahlmesser benutzt werden, nämlich folgendermaßen: In einem Rahmen 1 ist ein Gehäuse 2 reibungsfrei drehbar gelagert und mit einer Drehfeder mit diesem verbunden. Ein im Gehäuse 2 gelagerter Kreisel 3 rotiert mit der relativen Winkelgeschwindigkeit ω_R gegen dieses Gehäuse. Wird nun der Rahmen 1 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit Ω gedreht, so stellt sich nach einem Einschwingvorgang ein konstant bleibender Winkel ϕ ein und Ω kann bestimmt werden.

Geg.:
Schwerpunkte liegen im Schnittpunkt der Drehachsen
Gehäuse 2: ϕ, Hauptträgheitsmomente I_Gx, I_Gy, I_Gz,
lineare Drehfeder mit Konstante c_T, vollkommen entspannt für ϕ = 0
Kreisel 3: ω_R = const., Trägheitsmomente: I_x, I_y = I_z

Ges.:
Berechne die konstante Winkelgeschwindigkeit Ω des Rahmens 1 nach dem Einschwingvorgang unter der Annahme, dass ω_R viel größer als Ω ist.

Quelle: Aufgabe 4.4.3 (S. 42) aus P. Lugner et al., Technische Mechanik, 1992 Springer-Verlag, Wien

Die Angabe zum Download findet ihr hier:

kreisel-k02Herunterladen

Auch hier starten wir wieder mit dem Freikörperbild, von dem ihr ja jetzt schon wisst, dass es ein essentieller Bestandteil der technischen Mechanik ist. Nachdem wir uns darüber im Klaren sind wie die Winkelgeschwindigkeiten im gegeben Koordinatensystem wirken, können wir den Drehimpulsvektor anschreiben. Für den Drehimpulssatz benötigen wir die Zeitableitung dieses Drehimpulsvektors, welche hier auf den Kreuzproduktterm (Rotation des Koordinatensystems) beschränkt bleibt, weil wir es mit konstanten Winkelgeschwindigkeiten zu tun haben. Der zweite Term des Drehimpulssatzes ist der Vektor der äußeren Momente. Dabei spielt die gegebene Drehfeder eine Rolle. Nachdem dieser aufgestellt ist, kann der volle Drehimpulssatz angeschrieben und die Vereinfachung für ω_R sehr viel größer als Ω gemacht werden. Zum Abschluss diskutieren wir noch, welche „Drehzahl“ mit einem solchen Gerät typischerweise gemessen wird. Die Rechenschritte im Detail besprechen wir ausführlich im verlinkten YouTube Video. Viel Spaß damit!

Sämtliche Fragen beantworte ich wie immer sehr gerne – schreibt sie mir bitte einfach hier oder auf YouTube als Kommentar.

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Bis bald,
Markus

Relativkinetik: Paket auf rotierendem Förderband

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Herzlich Willkommen!

Heute geht es wieder um ein Beispiel aus der Relativkinetik bzw. genauer gesagt aus der Relativkinematik (weil wir nur Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnen). Hier ist die Angabe dazu:

Der Ausleger OA eines Transportbandes dreht sich im dargestellten Augenblick mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω1 um die z-Achse und richtet sich gleichzeitig mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω2 auf. Das Transportband selbst bewegt sich mit der Geschwindigkeit r˙ und Beschleunigung r¨.

Geg.:
r=6m, θ=45∘, ω1=6s−1, ω2=4s−1, r˙=5ms−1, r¨=8m/s2

Ges.:
*die momentane Geschwindigkeit des Paketes.
*die momentane Beschleunigung des Paketes.

Quelle: Aufgabe 9.42 (S. 638) aus Russell C. Hibbeler, Technische Mechanik 3 Dynamik, 12. Auflage, 2012 Pearson GmbH, München

Die Angabe zum Download findet ihr hier:

relativkinetik_r18Herunterladen

Wie der Name des Beispiels schon sagt, werden wir uns der Kinematik der Relativbewegung bedienen. Dazu überlegen wir uns ein geeignetes Koordinatensystem und stellen den Ortsvektor in diesem Koordinatensystem auf. Dann berechnen wir die Beiträge zur Absolutgeschwindigkeit, nämlich Relativ- und Führungsgeschwindigkeit, und stellen daraus die Absolutgeschwindigkeit für das Paket auf. Zum Schluß berechnen wir aus den Termen Relativ-, Führungs- und Coriolisbeschleunigung die Absolutbeschleunigung des Pakets. Zu allen Ergebnissen gibt es in diesem Fall auch Zahlenwerte. Die Rechenschritte im Detail besprechen wir wieder ausführlich im aktuellen YouTube Video.

Sämtliche Fragen beantworte ich natürlich sehr gerne – schreibt sie mir einfach hier oder auf YouTube als Kommentar.

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Bis bald mit dem nächsten Beispiel,
Markus

Lagrange: Schwingung eines physikalischen Doppelpendels

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Herzlich Willkommen!

Ich möchte die Gelegenheit nutzen und in den nächsten Tagen Beiträge zu bereits vor dem Neustart des Blogs veröffentlichten Videos nachholen. Wir beginnen mit einem Beispiel zur Lagrange-Mechanik, nämlich dem physikalischen Doppelpendel.

Ein ebenes physikalisches Doppelpendel aus schlanken Stäben mit den Angaben laut Skizze (Stablängen a, Massen m1, m2, Schwerpunktsabstände s1, s2 und Pendelwinkel φ1, φ2) soll betrachtet werden.

Ges.:
*Lagrange-Funktion des Systems.
*Bewegungsgleichungen in den generalisierten Koordinaten φ1 und φ2.
*Wie kann der Spezialfall erreicht werden, dass das unter Pendel keine Relativbewegung zum oberen Pendel vollführt, das System also als einfaches Pendel schwingt?

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

lagrange-l11Herunterladen

Wie in der Lagrange-Mechanik üblich stellen wir zuerst die relevanten Koordinaten als Funktion der generalisierten Koordinaten auf. Anschließend können diese Koordinaten nach der Zeit abgeleitet werden um die Geschwindigkeiten zu bestimmen. Die Berechnung der kinetischen und potentiellen Energie des Systems führt schließlich zur Lagrange-Funktion. Über die Euler-Lagrange-Gleichung lassen sich dann die Bewegungsgleichungen berechnen. Am Ende des Beispiels überlegen wir uns wie der Spezialfall einer einfachen Pendelschwingung erreicht werden kann. An dieser Stelle gibt es auch eine spannende historische Anmerkung. Wie die Rechnung detailliert abläuft erkläre ich euch im verlinkten 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 Lagrange Beispiel und bis demnächst,
Markus

Kreiseldynamik: Mühlstein

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Herzlich Willkommen!

Heute wollen wir uns ein Beispiel aus dem Bereich Kreiseldynamik ansehen, und zwar folgende Mühle:

Die dargestellte Mühle wird mit der Winkelgeschwindigkeit Ω=const. angetrieben. Der Mühlstein habe seinen Schwerpunkt in S, seine Masse sei m und seine Massenträgheitsmomente I1 sowie I2=I3.

Ges.:
*die erforderliche Winkelgeschwindigkeit ω=const., sodass der Mühlstein im Punkt P mit der Geschwindigkeit -vp e2 gleitet.
*die Beschleunigung des Punktes P.
*die Winkelgeschwindigkeit des Mühlsteins im e_1-e_2-e_3 Koordinatensystem.
*die resultierende Einzelkraft und das resultierende Moment bei Reduktion in den Koordinatenursprung.

Die Angabe gibt es als Download inkl. Lösungen um das Beispiel vorab rechnen zu können.

Kreisel-K05Herunterladen

Um diese Aufgabe zu lösen, bedienen wir uns einer Mischung aus Kinematik, Relativkinematik und natürlich Schwerpunkt- und Drehimpulssatz. Zuerst muss bestimmt werden wie groß für gegebenes vp die Winkelgeschwindigkeit ω wird. Dann können wir uns überlegen welche absolute Beschleunigung der Schwerpunkt des Mühlsteins S aufweist. Aus dieser absoluten Beschleunigung lässt sich dann der Schwerpunktsatz anschreiben und die Kräfte berechnen. Zum Schluss bestimmen wir noch den Drehimpuls für den Mühlstein und berechnen aus diesem die Momente. Wie das im Detail funktioniert erkläre ich im angehängten YouTube Video.

Wenn ihr Fragen habt schreibt bitte hier oder auf YouTube einen Kommentar. Ich werde eure Fragen schnellstmöglich beantworten.

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Bis nächste Woche mit einem weiteren Beispiel,
Markus

Relativkinetik: Masse auf rotierendem Winkelhebel

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Herzlich Willkommen!

Heute wollen wir uns ein Beispiel aus der Relativkinetik ansehen. Die Angabe dazu lautet folgendermaßen:

Im betrachteten Augenblick wird eine Punktmasse m durch ein Seil mit der Geschwindigkeit v=const. gegen den gegebenen Winkelhebel bewegt. Der Winkelhebel seinerseits dreht sich mit ω=const. um die Achse durch 0.

Geg.:
l, s, v=const., ω=const., m

Ges.:
*Absolutbeschleunigung der Masse m dargestellt im mitrotierenden e_1, e_2, e_3-Koordinatensystem mit Hilfe der Kinematik der Relativbewegung.
*Kräfte auf die Masse m von Seil und Stange bei reibungsfreier Führung.

Um diese Aufgabe lösen zu können, müssen wir die Kinematik der Relativbewegung nutzen. In einem ersten Schritt bestimmen wir die absolute Beschleunigung der Masse. Anschließend wenden wir den Schwerpunktsatz an um die Kräfte auf die Masse zu berechnen. Wie das genau geht, erkläre ich ausführlich im aktuellen YouTube Video.

Wenn ihr Fragen habt schreibt bitte hier oder auf YouTube einen Kommentar. Ich werde eure Fragen schnellstmöglich beantworten.

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Bis bald mit dem nächsten Beispiel,
Markus