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a_mechanik:kippender_besenstiel:gruppenseiten:gruppe322:start [ 5 January 2021 11:41] – Änderung Überschrift kirabode | a_mechanik:kippender_besenstiel:gruppenseiten:gruppe322:start [18 January 2021 17:09] (current) – Korrektur kirabode | ||
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Line 5: | Line 5: | ||
---- | ---- | ||
- | ====== Vorüberlegungen ====== | + | ===== Vorüberlegungen ===== |
- | Die Kippbewegung hängt von einigen | + | |
+ | Die Kippbewegung hängt von einigen physikalischen Größen ab. Um diese Zusammenhänge zu verstehen beschäftigen wir uns hier mit einigen Vorüberlegungen zur Bewegung des Besenstiels anhand der in der Versuchsanleitung gestellten Fragen. | ||
+ | === Beschreiben Sie die Kippbewegung mithilfe physikalischer Begriffe. === | ||
+ | ### | ||
+ | Solange sich ein Körper in seiner Gleichgewichtsposition nicht bewegt, spricht man von einem statischen Gleichgewicht. Wenn der Körper ungestört bleibt, ist die Summe aller auf ihn wirkenden Kräften und Drehmomente gleich null und somit erfährt dieser keine Translations- oder Rotationsbeschleunigung. | ||
+ | Wenn der Stab bei einem Winkel von $\phi=0^\circ$ (in Betracht auf das Lot des Bodens) ruht, spricht man von einem labilen Gleichgewicht, | ||
+ | ### | ||
+ | < | ||
+ | < | ||
- | ====== | ||
- | ===== Darstellung des Versuchsaufbaus und der Durchführung ===== | ||
- | ===== Bestimmung der Schrecksekunde ===== | ||
+ | |||
+ | ### | ||
+ | Wenn sich der Schwerpunkt des Gegenstands in seiner Grundfläche befindet spricht man somit von einem labilen Gleichgewicht. In diesem Zustand wird die Gewichtskraft des Stiftes durch die gleich große, aber entgegengestzte Normalkraft des Tisches ausgeglichen. Sobald der Gegenstand jedoch etwas aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, befindet sich sein Schwerpunkt nicht mehr im Bereich der Grundfläche und somit bewirkt die Gewichtskraft einen Drehmoment auf das jeweilige Objekt. Somit gelangen wir zur Definition eines Drehmomentes: | ||
+ | ### | ||
- | ====== Einfluss der Luftreibung ====== | + | \begin{align} |
+ | \Vec{M}=\Vec{r}\times \Vec{F}=r\cdot F \cdot sin(\alpha)=\frac{d\Vec{L}}{dt}=I\cdot \alpha | ||
+ | \label{eq: | ||
+ | \end{align} | ||
- | ===== Variation der Masse ===== | ||
- | ==== Variation der Oberfläche ==== | ||
+ | Im labilen Gleichgewicht ist das Drehmoment $\Vec{M}=\Vec{r}\times \Vec{F}=0$ da $\Vec{r}\parallel \Vec{F}$, da es sich hier um eine Rotationsbewegung handelt, gilt die allgemeine Bewegungsgleichung: | ||
+ | \begin{align} | ||
+ | \varphi=\varphi_{0}+\omega\cdot t+\frac{1}{2}\, | ||
+ | \label{eq: | ||
+ | \end{align} | ||
+ | === Vernachlässigt man die Luftreibung, | ||
- | ====== Diese Seiten ====== | ||
- | Diese Seite und ihre Unterseiten sind Ihr Bereich im APwiki für die Bearbeitung | ||
- | des Heim-Versuchs " | ||
- | im Präsenzpraktikum das Heft hat. Das heißt, es ist Ihre Logbuch für das, was | ||
- | Sie konkret experimentell und bei der Programmierung durchführen. | ||
- | Legen Sie Fotos ab, notieren Sie Messwerte, laden sie ihr Programm hoch. Form | + | ### |
- | und Formatierung sind dabei zweitrangig. | + | Zum Verständnis dieser Aussage wird das, in der Regel bekannte, Experiment zum freien Fall einer Feder und eines Steines mit unterschiedlichen Massen betrachtet. Werden Feder und Stein im Umgebungsmedium Luft gleichzeitig fallen gelassen, trifft der Stein vor der Feder auf den Boden auf. Wird dieses Experiment jedoch im Vakuum, d.h. ohne Luftreibung durchgeführt, |
+ | ### | ||
- | Damit dieser Bereich diese Aufgabe erfüllen kann, haben wir ihn mit speziellen | ||
- | Zugriffsrechten ausgestattet: | ||
- | - Ihre Gruppe hat das exklusive Schreibrecht für diese Seite. | ||
- | - Die Seite ist nur für Ihre Gruppe, die Tutoren und die Praktikumsleitung einsehbar. | ||
- | Unten auf dieser Seite finden Sie einen Abschnitt " | + | === Alltägliche Erfahrung: Je kleiner der Anfangswinkel ist, desto größer ist die Kippzeit T. === |
- | findet | + | |
- | Rückmeldung zu Ihrem Versuchsbericht geben. | + | Wenn wir die Beweungsgleichung betrachten und Annehmen, dass wir das Objekt ohne Anfangsgeschwindigkeit fallen lassen ergibt sich folgende Gleichung: |
+ | \begin{align} | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | \end{align} | ||
- | Hier im Wiki gibt es [[:vorlage-versuchsbericht: | + | ### |
- | Formatierung ihres Versuchsberichts mit Latex]]. Den Versuchsbericht geben Sie | + | Anhand der Gleichung zur Kippzeit sehen wir: Je kleiner der Anfangswinkel $\varphi_{0}$, |
- | dann im Ilias ab. | + | ### |
- | < | ||
- | den Start erleichtern. Sie können es nach Belieben löschen und durch Ihre | ||
- | eigenen inhalte ersetzen. </ | ||
- | ===== Computerprogramm ===== | + | === Welchen Einfluss hat die Stablänge? |
- | Dokumentieren Sie hier im Wiki das Programm, das Sie für die Lösung der Bewegungsgleichung | + | ### |
+ | Als erstes Betrachten wir den Kippprozess per Energieerhaltung: | ||
+ | ### | ||
- | Außerdem ist es möglich | + | \begin{align} |
+ | E_{Pot}& | ||
+ | m\, | ||
+ | \label{eq: | ||
+ | \end{align} | ||
+ | Nun bestimmen wir das Trägheitsmoment $I_{neu}$ per Satz von Steiner, wobei $I_{s}=\frac{1}{12}\, | ||
+ | \begin{align} | ||
+ | I_{neu}& | ||
+ | I_{neu}& | ||
+ | \end{align} | ||
+ | Setzen wir dies nun in Gleichung der Energieerhaltung ein erhalten wir: | ||
+ | \begin{align} | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | \end{align} | ||
+ | ### | ||
+ | Wenn wir nun die Winkelgeschwindigkeit betrachten, erkennen wir, dass $w \sim \frac{1}{\sqrt{L}}$ ist. Je größer die Länge des Stabs, desto geringer seine Winkelgeschwindigkeit beim Aufprall | ||
- | Beispiel: | + | ### |
- | < | + | |
- | #include < | + | |
- | int main() | + | |
- | { | + | |
- | | + | |
- | | + | |
- | } | + | |
- | </ | + | |
- | wird dargestellt als | + | |
- | <code c [enable_line_numbers=" | + | |
- | #include < | + | |
- | int main() | + | |
- | { | + | |
- | | + | |
- | | + | |
- | } | + | |
- | </ | + | |
- | ===== Bilder einbinden ===== | + | === Welche Schlussfolgerungen ergeben sich aus diesen Experimenten für das Jonglieren? Wie sollte der Stab beschaffen sein, damit das Jonglierenmöglichst leicht gelingt? |
- | Ihr Versuchsaufbau | + | ### |
+ | Es sollte | ||
- | Ein Bild laden Sie ins Wiki, indem Sie im Editor in der Knopfleiste auf den kleinen Bildrahmen klicken. In einem neuen Fenster öffnet sich ein Dialog mit einem Dateibaum. Dort navigieren Sie zu " | + | ### |
- | Im einfachsten Fall landet ein Bild direkt an der Stelle im Text, an der Sie es eingefügt haben (Siehe [[doku> | ||
- | ===== Tabellen ===== | ||
- | Für eine Tabelle mit Ihren Messwerten gibt es im oben im Editfenster des Wikis eine Hilfsfunktion. Sie versteckt sich hinter einem Knopf der so aussieht, wie ein hellblauer Taschenrechner. | ||
- | ===== Syntax und Funktionen im Wiki ===== | + | ===== |
- | Hier noch Links zu | + | |
- | * den [[doku>de:wiki:syntax|Grundbefehlen | + | ==== Versuchsaufbau ==== |
- | * [[:wiki:apwiki_features|lokal installierten Erweiterungen]] und | + | |
- | | + | |
+ | < | ||
+ | |||
+ | **Aufbau: | ||
+ | |||
+ | * Anbringen einer horinzontal ausgerichteten Wasserwaage bei verschiedenen Höhen $h_{Waage}$ | ||
+ | * Einstellen des Anfangswinkels über diese Höhe (Nutzung trigonometrischer Funktionen) | ||
+ | |||
+ | \begin{align}\phi_0=\arccos(\frac{h_{Waage}}{l_{Besen}})\end{align} | ||
+ | |||
+ | < | ||
+ | * Ansetzen der Schaumstofffläche des Haushaltsbesens anhand einer gleichbleibenden Linie auf dem Boden in allen Versuchsdurchgängen | ||
+ | * Anheben des Stabendes auf Höhe der Wasserwaage und manuelles fallenlassen | ||
+ | |||
+ | **Art der Zeitmessung: | ||
+ | * Messung der Zeit mit der akustischen Stoppuhr von Phyphox | ||
+ | * Geben eines manuellen akustischen Signals durch die durchführende Person zum Start der Messung bei gleichzeitigem Fallenlassen des Stabes (Einfluss der Reaktionszeit beachten!) | ||
+ | * Stoppen der Zeitmessung durch das akustische Signal beim Auftreffen des Besenstiels auf dem Boden ($\phi=\frac{\pi}{2}$) | ||
+ | * Positionierung des Smartphone mittig zwischen | ||
+ | |||
+ | **Variationen: | ||
+ | * Änderung von... | ||
+ | |||
+ | ^ ...Besenlänge | ||
+ | |< | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ==== Systematische Unsicherheit der Zeitmessung ==== | ||
+ | |||
+ | === M1: | ||
+ | |||
+ | ### | ||
+ | Zur Berücksichtigung der Reaktionszeit der durchführenden Person beim Fallenlassen des Stabes und Geben des akustischen Signals zum Starten der akustischen Stoppuhr, stoppt diese Person die " | ||
+ | |||
+ | ### | ||
+ | |||
+ | Es ergaben sich folgende Messdaten: | ||
+ | |||
+ | ^Durchgang ^ 1 ^ 2 ^ 3 ^ 4 ^ 5 ^6^ 7 ^ 8 ^ 9^ 10 ^ | ||
+ | ^ Zeit [s] | 5,15 | 5,16 | 4,97 | 5,01 | 4,92 | 5,09 | 5,18 | 5,01 | 4,92 | 5,01 | ||
+ | ^ Abweichung $\Delta t_i$ [s] | 0,15 | 0,16 | 0,03 | 0,01 | 0,08 | 0,09 | 0,18 | 0,01 | 0,08 | 0,01 | | ||
+ | ==== Einfluss der Luftreibung ==== | ||
+ | |||
+ | === M2:Variation der Masse === | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ^ Massen | ||
+ | |\begin{align}m_{Papierrolle}=(189\pm 1)g \end{align}||\begin{align}l_{Besen}=(120\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |\begin{align}m_{Rohr+Papierrolle}=(496\pm 1)g\end{align}||\begin{align}h_{Waage}=(110\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ^Durchgang ^ Kippzeit t in s ^^ | ||
+ | ^ ^ mit Papierrolle ^ mit Rohr und Papierrolle ^ | ||
+ | |1 | 0,58 | 0,623 | | ||
+ | |2 | 0,624 | 0,649 | | ||
+ | |3 | 0,61 | 0,656 | | ||
+ | |4 | 0,607 | 0,684 | | ||
+ | |5 | 0,604 | 0,63 | | ||
+ | === M3:Variation der Oberfläche === | ||
+ | |||
+ | ^ Massen | ||
+ | |\begin{align}m_{Rohr+Papierrolle}=(496\pm 1)g \end{align}||\begin{align}l_{Besen}=(120\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |\begin{align}m_{T-Papier}=(503\pm 1)g\end{align}||\begin{align}h_{Waage}=(110\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | ^ Durchgang ^ Kippzeit t in s ^^ | ||
+ | ^ ^ mit Rohr und Papierrolle ^ mit 4 Rollen Toilettenpapier ^ | ||
+ | |1 | 0,623| 0, | ||
+ | |2 | 0,649| 0, | ||
+ | |3 | 0,656| 0, | ||
+ | |4 | 0,684| 0, | ||
+ | |5 | 0,63| 0, | ||
+ | |||
+ | ==== Kippzeit bei Variation der Besenlängen ==== | ||
+ | === M4: Besenlänge | ||
+ | |||
+ | ^ Masse ^^ Länge | ||
+ | |\begin{align}m_{Besen}=(489\pm 1)g \end{align}||\begin{align}l_{Besen}=(120\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |||
+ | ^ ^ Kippzeit $t_i$ im Durchgang i ^^^^^ | ||
+ | ^$h_{Waage}$ ^ $t_1$ [s] ^ $t_2$ [s] ^ $t_3$ [s] ^ $t_4$ [s] ^ $t_5$ [s]^ | ||
+ | |120|1,321|1, | ||
+ | |119|0, | ||
+ | |118|0, | ||
+ | |116|0, | ||
+ | |113|0, | ||
+ | |109|0, | ||
+ | |104|0, | ||
+ | |98 |0, | ||
+ | |92 |0, | ||
+ | |||
+ | === M5: Besenlänge von 150 cm === | ||
+ | |||
+ | ^ Masse ^^ Länge | ||
+ | |\begin{align}m_{Besen}=(489\pm 1)g \end{align}||\begin{align}l_{Besen}=(150\pm 0,5)cm \end{align}| | ||
+ | |||
+ | ^ ^ Kippzeit $t_i$ im Durchgang i ^^^^^ | ||
+ | ^$h_{Waage}$ ^ $t_1$ [s] ^ $t_2$ [s] ^ $t_3$ [s] ^ $t_4$ [s] ^ $t_5$ [s]^ | ||
+ | |150|1, | ||
+ | |149|0, | ||
+ | |147|0, | ||
+ | |145|0, | ||
+ | |141|0, | ||
+ | |136|0, | ||
+ | |130|0, | ||
+ | |123|0, | ||
+ | |115|0, | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ===== Theoretische Betrachtung mit dem Zeitschrittverfahren (Programm) ===== | ||
+ | <code python Zeitschrittverfahren> | ||
+ | |||
+ | import numpy as np | ||
+ | import matplotlib.pyplot as plt | ||
+ | |||
+ | |||
+ | def phi(t, | ||
+ | ''' | ||
+ | array, in welchem wir unsere numerischen Werte speichern. Hierbei | ||
+ | beschreibt len(t) die Anzahl der Elemente im jeweiligen Array''' | ||
+ | tau = np.sqrt(2*l/(3*g)) | ||
+ | phiarray = np.zeros(len(t)) | ||
+ | |||
+ | ''' | ||
+ | durch die jeweilige Funktion im Skript gegeben. Hierbei gehen wir von einer | ||
+ | Anfangswinkelgeschw.=0.''' | ||
+ | winkelbeschleunigung = np.sin(startwinkel)/ | ||
+ | winkelgeschwindigkeit = 0 | ||
+ | phi = startwinkel | ||
+ | phiarray[0] = np.pi/2 - phi | ||
+ | |||
+ | ''' | ||
+ | eine Termination der Schleife bewirkt, wenn der Winkel über pi/2 (90Grad) fällt. | ||
+ | Die jeweilige Prozedur übernehmen wir schlichtweg aus dem Skript.''' | ||
+ | for i in range(len(t)-1): | ||
+ | winkelgeschwindigkeit = winkelgeschwindigkeit + deltat*winkelbeschleunigung | ||
+ | phi = phi + deltat*winkelgeschwindigkeit | ||
+ | winkelbeschleunigung = np.sin(phi)/ | ||
+ | phiarray[i+1] = np.pi/2 - phi | ||
+ | if(phi > np.pi/2): | ||
+ | phiarray[i+1] = 0 | ||
+ | |||
+ | return phiarray | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ''' | ||
+ | das erste Element mit einer 0 gefunden wird. | ||
+ | Falls die der Endzeitpunkt nicht im Intervall bis tmax liegt, erhält man | ||
+ | die Fehlermeldung -1000.''' | ||
+ | |||
+ | def t_Aufprall(t, | ||
+ | for i in range(len(t)): | ||
+ | if(phi[i] == 0): | ||
+ | return(t[i]) | ||
+ | return(-1000) | ||
+ | |||
+ | |||
+ | def main(): | ||
+ | ''' | ||
+ | Der startwinkel wird in rad angegeben, somit ist die Umrechnung | ||
+ | Pi/360Grad notwendig. Delta(t) gibt die Zeitschritte an, in welchen | ||
+ | die Prozedur vollzogen werden soll. Je kleiner die Zeitschritt, | ||
+ | genauer auch das Ergebnis''' | ||
+ | l = 1.45 | ||
+ | startwinkel = 0.25 | ||
+ | tmin = 0 | ||
+ | tmax = 1.2 | ||
+ | deltat = 0.00001 | ||
+ | g = 9.81 | ||
+ | t = np.linspace(tmin, | ||
+ | |||
+ | plt.plot(t, | ||
+ | plt.ylabel(' | ||
+ | plt.xlabel(' | ||
+ | plt.grid(True) | ||
+ | plt.show() | ||
+ | |||
+ | |||
+ | print(' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | if __name__==" | ||
+ | main() | ||
+ | |||
+ | </ | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ===== Literatur ===== | ||
+ | |||
+ | | [Gia09] | Douglas C. Giancoli.Physik: | ||