Category Archives: Dynamik

Inelastischer Stoß: Kugel – Stab

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Herzlich Willkommen!

Unser nächstes Stoßbeispiel behandelt einen inelastischen Stoß zwischen einer Kugel und einem Stab bzw. Balken.

Eine Punktmasse m1 trifft mit der Geschwindigkeit v auf einen in A reibungsfrei drehbar gelagerten Balken auf. Der Stoß sei vollkommen unelastisch.

Geg.:
Masse 1: m1, v
Stab: s, l, Masse m2, Trägheitsmoment IA bezüglich A.

Ges.:
*Winkelgeschwindigkeit ω′ des Stabes unmittelbar nach dem Stoß.
*Stoßantrieb im Lager A.
*Endausschlagwinkel ϕE, wenn sich die Punktmasse und der Balken nach dem Stoß nicht trennen.
*Energieverlust beim Stoß.

Quelle: Aufgabe 4.6.2 (S. 48) aus P. Lugner et al., Technische Mechanik, 1992 Springer, Wien

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

stoss-s03Herunterladen

Ausnahmsweise beinhaltet hier die Angabeskizze bereits alle relevanten Größen, mit Ausnahme des Stoßantriebs im Lager. Wir können also direkt darauf zurückgreifen und mittels Impuls- und Drehimpulssatz sowie weniger Überlegungen zur Kinematik, sowohl die Winkelgeschwindigkeit nach dem Stoß als auch den Stoßantrieb im Lager berechnen. Anschließend lassen sich der Endausschlagswinkel und der Energieverlust beim Stoß durch einfache Energiebilanzen ermitteln. Alle Details besprechen und berechnen wir wie gewohnt 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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Bis bald mit dem nächsten Beispiel,
Markus

Lagrange: Block auf zwei Stangen mit Drehfedern

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Herzlich Willkommen!

Wir sehen uns heute ein Beispiel aus der Dynamik an, welches mit der Methode von Lagrange berechnet werden soll. Dabei besprechen wir auch, wie Federn in diesem Zusammenhang zu behandeln sind.

Zwei drehbar gelagerte Stangen (Länge l=0.8 m, Masse m2=5 kg) sind an einem Block (Masse m1=12 kg) gelenkig angeschlossen. Am Ende jeder Stange ist eine Torsionsfeder (Federsteifigkeit K=500 Nm) befestigt. Das System ist in der gezeichneten Lage im Gleichgewicht.

Ges.:
*die Lagrange Funktion,
*die Bewegungsgleichung mittels der Methode von Lagrange,
*die Eigenfrequenz f und die Periodendauer T für kleine Auslenkungen um die Gleichgewichtslage.

Die Angabe gibt es wie gewohnt als Download inkl. Endergebnissen.

lagrange-l01Herunterladen

Wir stellen zuallererst die relevanten Koordinaten auf und drücken sie als Funktion der generalisierten Koordinate (Stangenwinkel) aus. Daraus lassen sich die Geschwindigkeiten bestimmen und anschließend beide Anteile zur Energie, kinetische und potentielle Energie, ermitteln. Die Energien der Federn müssen als Anteil der potentiellen Energie mit berücksichtigt werden. Dann lässt sich aus der Lagrangefunktion die Bewegungsgleichung ableiten und Eigenfrequenz und Periodendauer für den linearisierten Fall bestimmen. Wie immer gibt es die ausführliche Erklärung im verlinkten 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

Exzentrischer Stoß zwischen Platte und Rolle

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Unser nächstes Stoßbeispiel behandelt einen exzentrischen Stoß zwischen einer Platte und einer fest gelagerten Rolle in der Ebene. Wir sollen uns dabei auch Gedanken darüber machen, welche spezielle Exzentrizität notwendig wäre um nach dem Stoßvorgang eine rein translatorische Bewegung für die Platte zu erreichen.

Betrachtet wird ein exzentrischer Stoß zwischen einer Platte und einer fest gelagerten Rolle.

Geg.:
Platte: m,Is,b.
Sie bewegt sich unmittelbar vor dem Stoß translatorisch mit v unter dem Winkel α gegen die Horizontale.

Rolle: in 0 reibungsfrei gelagert, I0,r.
Vor dem Stoß in Ruhe.

Es handelt sich um einen vollkommen unelastischen, rauen Stoß, d.h. unmittelbar nach dem Stoß haben die Kontaktpunkte den gleichen Geschwindigkeitsvektor.

Ges.:
*Gleichungen zur Bestimmung des Stoßantriebs in 0.
*Wie groß muss e sein, damit sich die Platte unmittelbar nach dem Stoß translatorisch bewegt.

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

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Wir starten wie so oft mit einem Freikörperbild in welches wir alle Geschwindigkeiten und Stoßantriebe einzeichnen. Dabei bietet es sich hier an, die beiden Stoßpartner getrennt frei zu machen. Mittels der Freikörperbilder lassen sich Impuls- und Drehimpulsbilanzen anschreiben. Zusätzlich ist es nötig auch die Kinematik sowie die Bedingung des rauen Stoßvorgangs zu berücksichtigen, um genügend Gleichungen zur Verfügung zu haben. Den Spezialfall reiner Translation für die Platte leiten wir dann mit Hilfe der Kenntnis der Winkelgeschwindigkeit für die Platte ab. Alle Details besprechen und berechnen wir im verlinkten YouTube Video.

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Bis bald mit dem nächsten Beispiel,
Markus

Lagrange: Massen an beweglichem Faden

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Herzlich Willkommen!

Diesmal gibt es ein etwas komplexeres Beispiel aus der Dynamik mit drei Freiheitsgraden. Es handelt sich um folgendes System:

Ein masseloser, undehnbarer Faden der Länge L ist an jedem Ende mit einem Massenpunkt der Masse m verbunden. Der Faden wird reibungsfrei durch zwei Ringe A und B im Abstand b geführt.

Bestimme
*die Zwangsbedingung, sowie die generalisierten Koordinaten und Geschwindigkeiten. *die Lagrange-Funktion des Systems.
*die Bewegungsgleichungen des Systems.

Quelle: Lagrangesche Bewegungsgleichungen Aufgabe 1 (S. 236) aus S. Kessel, Technische Mechanik Aufgabensammlung mit Musterlösungen, 2000, Dortmund

Die Angabe gibt es wie gewohnt als Download inkl. Endergebnissen.

lagrange-l13Herunterladen

Wie immer in der Lagrange-Mechanik müssen wir uns zuallererst Gedanken über die relevanten Koordinaten machen. Dies sind die Koordinaten der Massenschwerpunkte. Hier stellt sich dann heraus, dass sich vier beschreibende Größen ergeben, nämlich die beiden Seilwinkel, sowie die Längen der Seilstücke vom Aufhängepunkt zur jeweiligen Masse. Nachdem das Seil aber als ideal angenommen wird und damit eine konstante Länge besitzt, kann eine der Länge mittels Zwangsbedingung ersetzt werden. Damit landen wir bei drei Freiheitsgraden. Sobald das geklärt ist, können die Geschwindigkeiten abgeleitet und die Energien für das System aufgestellt werden. Danach erhalten wir aus den Euler-Lagrange-Gleichungen drei gekoppelte Bewegungsgleichungen und besprechen wie diese gelöst werden könnten. All das zeige ich wie üblich im unten verlinkten YouTube Video vor. Viel Spaß mit dem Beispiel!

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Viel Spaß mit diesem Beispiel und bis bald,
Markus

Stangenschuss beim Fußball – Stoßvorgang

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Herzlich Willkommen!

Diesmal sehen wir uns ein etwas sportlicheres Beispiel an, nämlich den Stangenschuss beim Fußball. Wir möchten uns überlegen welcher Effet dem Ball mitgegeben werden muss um ihn von der Stange ins Tor zu bekommen.

Ein Fußball mit Masse m und Trägheitsmoment θs trifft mit der Geschwindigkeit v0 horizontal gegen den rauen Pfosten des Tores. Der Aufprall erfolgt dabei zentrisch unter dem Winkel α zur Torlinie. Die Stoßziffer beträgt ε.

Wie groß muss der Effet, d.h. die Winkelgeschwindigkeit ω0 des Balls sein, damit er nach dem Aufprall über die Torlinie geht, wenn während des Stoßes Haftung eintritt?

Quelle: Aufgabe 6.10 (S. 143) aus D. Gross, W. Ehlers, P. Wriggers, Formeln und Aufgaben zur Technischen Mechanik 3, 8. Auflage, 2007 Springer, Berlin

Die Angabe gibt es wie üblich als Download inkl. Endergebnissen. Ihr könnt damit das Beispiel zuerst selbst rechnen und dann mit meiner Musterlösung vergleichen.

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Wir starten dieses Beispiel auch diesmal mit einem Freikörperbild in welches wir alle Geschwindigkeiten und Stoßantriebe einzeichnen. Daraus lassen sich Impuls- und Drehimpulssatz für den Ball ableiten. Zusätzlich benötigen wir die Stoßhypothese und einige Überlegungen zur Kinematik während des Stoßvorganges. Aus dem damit erstellten Gleichungssystem lässt sich dann mit wenigen Zusatzüberlegungen zur Geometrie, der benötigte Effet beim Schuss berechnen. Alle Schritte im Detail besprechen und berechnen wir wieder im verlinkten YouTube Video.

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Bis bald mit dem nächsten Beispiel,
Markus

Relativkinetik: Kugel zwischen Platten

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In diesem Beispiel zur Relativkinetik geht es um eine Kugel die zwischen zwei parallelen Platten gleiten kann, während die Platten selbst um die vertikale Achse rotieren.

Zwei parallele, starre Platten rotieren mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Ω um die raumfeste vertikale z-Achse. Zwischen den Platten kann reibungsfrei eine kleine Kugel (Masse m) gleiten.

Bestimmen Sie die Bewegungsgleichungen des Kugelschwerpunktes in den Koordinaten q1 und q2, sowie die auf Kugel wirkenden Kräfte.

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_r07Herunterladen

Wir beginnen hier mit der Berechnung des Ortsvektors der Kugel. Anschließend lassen sich die benötigten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsterme bestimmen, nämlich Relativgeschwindigkeit und -beschleunigung sowie Führungs- und Coriolisbeschleunigung. Mittels Schwerpunktsatz können wir schließlich die Bewegungsgleichungen des Systems und die auf die Kugel wirkende Normalkraft bestimmen. 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.

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Bis demnächst,
Markus

Prinzip von d’Alembert: Brett auf Walzen

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Heute sehen wir uns wieder einmal ein Beispiel zum Prinzip von d’Alembert an.

Eine Platte der Masse M ruht auf zwei Walzen, die jeweils die Masse m und den Radius r besitzen. Die linke Walze ist als Vollzylinder, die rechte als dünnwandiger Hohlzylinder ausgeführt.

Ges.:
*Bestimme die Beschleunigung der Platte unter der Annahme, dass kein Gleiten auftritt, mit Hilfe des Prinzips von d’Alembert.

Die Angabe gibt es natürlich wieder als Download inkl. Endergebnissen, damit ihr das Beispiel vorab selbst rechnen könnt.

dalembert-da01Herunterladen

Diese rechnerisch eher kurze Aufgabe eignet sich sehr gut dazu das Prinzip von d’Alembert genauer zu erklären. Wir diskutieren also welche Beiträge es gibt und woher diese kommen. Außerdem klären wir was es mit den d’Alembert’schen Trägheitstermen und Trägheitskräften auf sich hat. Im Zuge dessen rechnen wir selbstverständlich auch die gefragte Beschleunigung des Brettes aus. Das und noch einiges mehr gibt es wieder im verlinkten YouTube Video zu sehen. Viel Spaß damit!

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Alles Gute und bis bald,
Markus

Kreiseldynamik einer Mischmaschine – Lagerbelastung berechnen

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Wir widmen uns wieder einem Kreiselbeispiel. Darin wollen wir heute die Lager einer idealisierten Mischmaschine dynamisch auslegen. Folgendes ist gegeben:

Ein Rotor sei in einem rotierenden Rahmen gelagert. Die Masse des Rotors ist m, seine Massenträgheitsmomente Ix sowie Iy = Iz und seine Winkelgeschwindigkeit relativ zum Rahmen ωR. Für den Rahmen sind die Abmessungen l, der Winkel α sowie seine Winkelgeschwindigkeit Ω und Winkelbeschleunigung Ω˙ gegeben. Alle Lager sind als reibungsfrei anzunehmen.

Ges.:
*Die Bestimmungsgleichungen für die Kräfte auf den Rotor in A und B dargestellt im rahmenfesten x-y-z-System.
*Die relative Winkelbeschleunigung ω˙R des Rotors.

Quelle: Aufgabe 4.4.2 (S. 41) aus P. Lugner et al., Technische Mechanik, 1992 Springer-Verlag, Wien

Die Angabe zum Download findet ihr wie immer hier:

kreisel-k03Herunterladen

Wie meistens, starten wir mit einem Freikörperbild. 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. Diesmal haben wir auch eine nicht verschwindende partielle Zeitableitung. Der zweite Term des Drehimpulssatzes ist der Vektor der äußeren Momente. Die Momente entstehen aus den Lagerkräften und ermöglichen uns damit die Bestimmung eben dieser Lagerkräfte. Am Ende bestimmen wir noch ω_R und stellen fest, dass dessen x-Komponente konstant sein muss. 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

Lagrange: Doppelschaukel

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Im heutigen Beispiel sehen wir uns die Dynamik einer Doppelschaukel an. Dabei vergleichen wir diese auch mit dem klassischsten aller Lagrange-Beispiele, dem mathematischen Doppelpendel.

Gegeben ist eine Doppelschaukel laut Skizze.

Ges.:
*Die Lagrange-Funktion des Systems.
*Die Bewegungsgleichungen der Doppelschaukel.

Die Angabe zum vorab selbst rechnen gibt es wieder als Download inkl. Endergebnissen.

lagrange-l04Herunterladen

Bei genauerer Betrachtung der Angabe lässt sich feststellen, dass die skizzierte Doppelschaukel analog zum mathematischen Doppelpendel gerechnet werden kann. Wir stellen also zuerst die Koordinaten der Schaukelschwerpunkte als Funktion der generalisierten Koordinaten, d.h. der beiden Schaukelwinkel, auf. Durch Zeitableitung dieser Koordinaten erhalten wir die Geschwindigkeiten der Schaukelschwerpunkte. Danach können wir sowohl kinetische als auch potentielle Energie berechnen um damit die Lagrangefunktion anzuschreiben. Mithilfe der Euler-Lagrange-Gleichungen erhalten wir schließlich zwei gekoppelte Bewegungsgleichungen für das System, jeweils eine für beide Schaukelwinkel. Die detaillierte Rechnung und viele weitere Bemerkungen, u. A. zur Eindeutigkeit der Lagrangefunktion findet ihr im verlinkten YouTube Video.

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Seilstraffung als Stoßvorgang

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Wir wollen uns heute ein Beispiel ansehen bei dem zwei Stoßvorgänge hintereinander stattfinden. Der erste ist ein durch Seilstraffung ausgelöster Stoßvorgang, der zweite dann ein klassischer Stoß zwischen Kugel und Quader. Insbesondere die Seilstraffung beinhaltet ein paar interessante Gedankengänge, die wir im Detail besprechen werden. Zuerst allerdings zur Angabe:

Eine Kugel mit der Masse mA, die als Massenpunkt angenähert werden kann, ist über ein schlaffes Seil mit dem Lager C verbunden. Die Kugel wird lt. Skizze aus der Horizontalen im Abstand 3/4 l vom Lager losgelassen. Das Seil wird als undehnbar angenommen, so dass bei der Straffung ein plastischer Stoß (Stoßziffer ε = 0) auftritt. In der Vertikalen trifft das Fadenpendel anschließend vollkommen elastisch (Stoßziffer ε = 1) auf einen Quader der Masse mB und verschiebt diesen auf einer rauen Ebene mit dem Reibungskoeffizient μ.

Geg.:
mA = 2 kg, mB = 5 kg, l = 1.2 m, μ = 0.3

Ges.:
*Geschwindigkeit der Kugel unmittelbar vor der Seilstraffung.
*Geschwindigkeit der Kugel nach dem Straffungsstoß und Stoßantrieb auf das Lager C. *Geschwindigkeit der Kugel unmittelbar vor dem Stoß mit dem Quader. *Geschwindigkeiten von Kugel und Quader unmittelbar nach deren Stoß.
*Die Höhe auf welche die Kugel zurückpendelt und die Strecke um die der Quader verschoben wird.

Quelle: Aufgabe D30 (S. 345f.) aus J. Berger, Klausurentrainer Technische Mechanik, 2. Auflage, 2008 Vieweg+Teubner, Wiesbaden

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Wir starten dieses Beispiel wieder mit einem Freikörperbild und berechnen insbesondere die Geometrie für den freien Fall der Kugel. Danach diskutieren wir eine Koordinatentransformation die uns die Berechnung des Straffungsstoßes erleichtert. In diesem Zusammenhang besprechen wir auch wie der Straffungsstoß ablaufen wird. Nachdem das geklärt ist, können die Geschwindigkeiten unmittelbar nach dem Stoßvorgang und der Stoßantrieb auf das Lager C berechnet werden. Mittels Energieerhaltung lässt sich dann die Geschwindigkeit der Kugel vor dem Stoß mit dem Quader bestimmen und der elastische Stoß zwischen Kugel und Quader berechnen. Hier führen wir auch eine Plausibilitätskontrolle durch, was immer eine gute Sache ist. Am Ende berechnen wir noch wie weit die Kugel zurückschwingt und wie weit der Quader auf der reibungsbehafteten Unterlage rutscht. Alle Schritte im Detail besprechen und berechnen wir wieder im verlinkten YouTube Video.

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Bis morgen mit dem nächsten Beispiel,
Markus