Wir wollen unser Wissen über das statische Gleichgewicht nun einmal auf ein konkretes Problem anwenden: das Entfernen eines Nagels aus einer Wand.
Um einen Nagel aus der Wand zu ziehen ist eine Kraft F erforderlich. Bestimme die kleinste vertikale Kraft P, die auf den Griff des Nageleisens ausgeübt werden muss.
Geg.: F, a, b, d, α, β
Quelle: Aufgabe 4.163 (S. 222) aus Russell C. Hibbeler, Technische Mechanik 1 Statik, 12. Auflage, 2012 Pearson GmbH, München
Oft ist der wichtigste Schritt zur Lösung eines Problems die grundsätzliche Idee. In diesem Beispiel ist die grundsätzliche Idee Momentengleichgewicht im Punkt A. Dieses Momentengleichgewicht sorgt – in Analogie zum klassischen Hebelgesetz – dafür, dass die Nagelkraft F genau durch die Handkraft P aufgehoben wird. Ein wenig mehr Handkraft und wir können den Nagel herausziehen. Die Details rechne ich wieder im verlinkten Video vor.
Stellt bitte wie immer gerne Fragen, wenn es Unklarheiten gibt. Ich freue mich außerdem über Anregungen zu weiteren Inhalte und generell eure Rückmeldungen. Gebt dem Video auch gerne einen Daumen hoch und abonniert den YouTube Kanal. Vielen Dank für eure Unterstützung!
Diesmal geht es darum zu zeigen, dass auch Momente wie reguläre Vektoren behandelt werden können. Insbesondere können wir sie auf bestimmte Achsen projizieren.
Der Hauptträger einer pfeilförmigen Flugzeugtragfläche ist um den Winkel α gegen die x‘-Achse nach hinten geneigt. In Lastberechnungen wurde ermittelt, dass am Träger die Momente Mx und My angreifen.
Bestimme das resultierende Moment um die x‘- und y‘-Achsen. Alle Achsen liegen in der gleichen horizontalen Ebene.
Quelle: Aufgabe 4.89 (S. 209) aus Russell C. Hibbeler, Technische Mechanik 1 Statik, 12. Auflage, 2012 Pearson GmbH, München
Hier soll bestimmt werden welche Momente parallel bzw. normal zum Hauptholm einer Flugzeugtragfläche wirken. Dazu können die bekannten Momentenvektoren einfach regulär projiziert werden. Es ergibt sich also jeweils ein Anteil von Mx und My sowohl entlang x‘ als auch entlang y‘. Dies ist sehr einfach berechnet, wie ihr im unten verlinkten Video sehen könnt. Viel Spaß beim Nachvollziehen!
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In diesem Beitrag sehen wir uns ein etwas komplizierteres Beispiel zur Kraftreduktion an. Nämlich einen Ski auf dessen Bindungsbacken sowohl Kräfte als auch Momente wirken.
Die Bindungsbacken eines Skis werden mit den Kräften und Momenten Ft = {−50ex+80ey−158ez} N, Fh = {−20ex + 60ey − 250ez} N, Mt = {−6ex + 4ey + 2ez} Nm und Mh = {−20ex + 8ey + 3ez} Nm belastet. Die gegebenen Abstände sind a=120mm und b=800mm.
Bestimme die äquivalente Kraft und das äquivalente Moment im Punkt P. Schreibe das Ergebnis als kartesischen Vektor an.
Quelle: Aufgabe 4.170 (S. 223) aus Russell C. Hibbeler, Technische Mechanik 1 Statik, 12. Auflage, 2012 Pearson GmbH, München
Im Gegensatz zu einem Zentralkraftsystem muss hier auch ein resultierendes Moment im Reduktionspunkt auftreten. Nur dann ist es möglich ein äquivalentes mechanisches System zu erhalten. Dazu müssen sowohl die Kraftvektoren addiert werden, als auch die Einzelmomente aus den Kräften und eingeprägten Momenten errechnet werden. Die detaillierte Rechnung dazu findet ihr wie üblich im verlinkten YouTube Video. Viel Spaß dabei!
Stellt bitte wie immer gerne Fragen, wenn es Unklarheiten gibt. Ich freue mich außerdem über Anregungen zu weiteren Inhalte und generell eure Rückmeldungen.
Wir berechnen hier zuerst die Komponenten der einzelnen Kräfte in x- und y-Richtung und bestimmen daraus die Komponenten der resultierenden Kraft. Anschließend bauen wir den Vektor der Resultierenden aus den beiden Komponenten zusammen. Zum Schluss berechnen wir noch den Winkel der Resultierenden zur x-Achse. Nebenbei diskutieren wir noch wichtige Punkte bei der Reduktion eines solchen Kraftsystems bzw. allgemein bei der Lösung von Beispielen aus der technischen Mechanik. Die Details dazu gibt es wie immer im verlinkten YouTube Video zu sehen.
Ich hoffe diese erste Aufgabe zur Statik war verständlich und hilfreich. Wenn es Fragen oder Anregungen gibt, bitte schreibt einen Kommentar und ich antworte gerne.
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:
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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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
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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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.
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
