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a_mechanik:kippender_besenstiel:gruppenseiten:gruppe341:start [ 8 January 2021 13:41] – [Table] alexandersteding | a_mechanik:kippender_besenstiel:gruppenseiten:gruppe341:start [22 January 2021 13:18] (current) – [Computerprogramm] alexandersteding | ||
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Die Wiki-Seite wurde angelegt am: 2 January 12021 11:36 | Die Wiki-Seite wurde angelegt am: 2 January 12021 11:36 | ||
- | ====== 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. | ||
====== Einleitung ====== | ====== Einleitung ====== | ||
Auf dieser Wiki Seite werden Messwerte, Versuchsdurchführungen und theoretische Überlegungen zum Versuch kippender Besenstiel multimedial dokumentiert. | Auf dieser Wiki Seite werden Messwerte, Versuchsdurchführungen und theoretische Überlegungen zum Versuch kippender Besenstiel multimedial dokumentiert. | ||
Line 16: | Line 9: | ||
Die Messung des Winkels φ wurde über geometrische Überlegungen gelöst wie in folgender Abbildung verdeutlicht wird. | Die Messung des Winkels φ wurde über geometrische Überlegungen gelöst wie in folgender Abbildung verdeutlicht wird. | ||
- | Gemessen wurde die Länge der Seite h. Die Länge der Seite L ist hier jeweils die Länge des Besenstieles. Über die Cosinusbeziehung | + | {{: |
+ | |||
+ | Gemessen wurde die Länge der Seite h. Die Länge der Seite L ist hier jeweils die Länge des Besenstiels. Über die Cosinusbeziehung | ||
\begin{equation} | \begin{equation} | ||
Cos=\frac{Ankathete}{Hypotenuse} | Cos=\frac{Ankathete}{Hypotenuse} | ||
Line 24: | Line 19: | ||
Cos=\frac{h}{l} | Cos=\frac{h}{l} | ||
\end{equation} | \end{equation} | ||
- | kann der Winkel α berechnet werden. Gemäß dem Wechselwinkelsatzt | + | kann der Winkel α berechnet werden. Gemäß dem Wechselwinkelsatz |
===== Versuchsdurchführung ===== | ===== Versuchsdurchführung ===== | ||
An dieser Stelle soll kurz auf die Versuchsdurchführung eingegangen werden. Zunächst wurde der Versuch ohne Berücksichtigung der Luftreibung durchgeführt. Dazu wurden zuerst die beiden Stäbe mittels einem Maßband vermessen.{{: | An dieser Stelle soll kurz auf die Versuchsdurchführung eingegangen werden. Zunächst wurde der Versuch ohne Berücksichtigung der Luftreibung durchgeführt. Dazu wurden zuerst die beiden Stäbe mittels einem Maßband vermessen.{{: | ||
- | Der Messfehler der Länge wurde mit 50% der kleinsten messbaren Größe, in diesem Fall 50% von 1mm ensprächend 0,5mm angenommen. Um den Nachbarschaftsfrieden nicht zusehr | + | Der Messfehler der Länge wurde mit 50% der kleinsten messbaren Größe, in diesem Fall 50% von 1mm ensprächend 0,5mm angenommen. Um den Nachbarschaftsfrieden nicht zu sehr überzustrapazieren, wurde der Küchenboden mit einigen Handtüchern abgefedert. Daraus resultierende Fehler wurden in der Auswertung betrachtet. Wie oben |
{{: | {{: | ||
Line 35: | Line 30: | ||
Im nächsten Schritt wurde mit einem Geräusch die akustische Stoppuhr in Phyphox gestartet während gleichzeitig der Besen fallen gelassen wurde. Dabei wurde darauf geachtet, dass dieser fallengelassen wird ohne diesem Anschwung oder sonst eine Beschleunigung zusätzlich zugeben. Die akustische Stoppuhr stoppt die Messung sobald der Besen den Boden ereicht. Das folgende Video zeigt den Versuchsablauf: | Im nächsten Schritt wurde mit einem Geräusch die akustische Stoppuhr in Phyphox gestartet während gleichzeitig der Besen fallen gelassen wurde. Dabei wurde darauf geachtet, dass dieser fallengelassen wird ohne diesem Anschwung oder sonst eine Beschleunigung zusätzlich zugeben. Die akustische Stoppuhr stoppt die Messung sobald der Besen den Boden ereicht. Das folgende Video zeigt den Versuchsablauf: | ||
- | {{ : | + | {{ : |
Auf diese Weise wurden zunächst für beide Stiele für insgesammt fünf Winkel φ (5°, 20°, 35°, 50°, 65°) jeweils fünf mal die Fallzeit gemessen. | Auf diese Weise wurden zunächst für beide Stiele für insgesammt fünf Winkel φ (5°, 20°, 35°, 50°, 65°) jeweils fünf mal die Fallzeit gemessen. | ||
==== Messung des Luftwiederstandes ==== | ==== Messung des Luftwiederstandes ==== | ||
- | Um den Einfluss der Reibung durch Luftwiederstand | + | Um den Einfluss der Reibung durch Luftwiderstand |
{{: | {{: | ||
Line 54: | Line 49: | ||
====== Messwerte | ====== Messwerte | ||
- | An dieser Stelle werden die Messwerte aus dem Versuch dargestellt. Es wurden 5 verschiedene Winkel | + | An dieser Stelle werden die Messwerte aus dem Versuch dargestellt. Es wurden 5 verschiedene Winkel |
===== Messung der Fallzeit ===== | ===== Messung der Fallzeit ===== | ||
- | Hier wurden die gemessenen Fallzeiten für den Stiel 1 mit Länge 1,33 m ± 0,5 mm und Stiel 2 mit 74,9 m ± 0,5 mm aufgetragen: | + | Hier wurden die gemessenen Fallzeiten für den Stiel 1/ Stiel mit Pappe mit Länge 1,33 m ± 0,5 mm und Stiel 2 mit 74,9 m ± 0,5 mm aufgetragen. Weiterhin wurden die gemessenen Längen von h zur Berechnung des Winkels, sowie der Mittelwert und berechneter Standardfehler der gemessenen Fallzeiten dargestellt. |
=== 5° === | === 5° === | ||
- | Für einen Winkel von Θ=5° ergeben sich folgende Messwerte | + | Für einen Winkel von φ=5° ergeben sich folgende Messwerte |
^ Messung | ^ Messung | ||
Line 73: | Line 68: | ||
| ||| | | | ||| | | ||
^ Mittelwert | ^ Mittelwert | ||
- | ^ Standartfehler | + | ^ Standardfehler |
- | ^ Länge h [cm] | 132,3 ±0, | + | | |||| |
+ | ^ Länge h [cm] | 132,30 ±0, | ||
Line 80: | Line 76: | ||
=== 20° === | === 20° === | ||
- | Für einen Winkel von Θ=20° ergeben sich folgende Messwerte | + | Für einen Winkel von φ=20° ergeben sich folgende Messwerte |
- | + | ||
- | ^ Messung | + | |
- | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | + | |
- | | 1 | 0,686 | 0,470 | 0,868 | | + | |
- | | 2 | 0,623 | 0,436 | 0,949 | | + | |
- | | 3 | 0,603 | 0,468 | 0,928 | | + | |
- | | 4 | 0,616 | 0,479 | 0,877 | | + | |
- | | 5 | 0,598 | 0,457 | 0,802 | | + | |
- | | ||| | | + | |
- | ^ Mittelwert | + | |
- | ^ Standartfehler | + | |
+ | ^ Messung | ||
+ | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | ||
+ | | 1 | 0,686 | 0,470 | 0,868 | | ||
+ | | 2 | 0,623 | 0,436 | 0,949 | | ||
+ | | 3 | 0,603 | 0,468 | 0,928 | | ||
+ | | 4 | 0,616 | 0,479 | 0,877 | | ||
+ | | 5 | 0,598 | 0,457 | 0,802 | | ||
+ | | ||| | | ||
+ | ^ Mittelwert | ||
+ | ^ Standardfehler | ||
+ | | |||| | ||
+ | ^ Länge h [cm] | 124,90\\ ±0, | ||
=== 35° === | === 35° === | ||
- | Für einen Winkel von Θ=35° ergeben sich folgende Messwerte | + | Für einen Winkel von φ=35° ergeben sich folgende Messwerte |
- | ^ Messung | + | ^ Messung |
- | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | + | | | Fallzeit [s] |
- | | 1 | 0,524 | + | | 1 | 0,524 | 0,395 | 0,774 | |
- | | 2 | 0,487 | + | | 2 | 0,487 | 0,400 | 0,747 | |
- | | 3 | 0,419 | + | | 3 | 0,419 | 0,383 | 0,719 | |
- | | 4 | 0,591 | + | | 4 | 0,591 | 0,401 | 0,611 | |
- | | 5 | 0,588 | + | | 5 | 0,588 | 0,416 | 0,624 | |
- | | ||| | | + | | |
- | ^ Mittelwert | + | ^ Mittelwert |
- | ^ Standartfehler | + | ^ Standardfehler |
+ | | |||| | ||
+ | ^ Länge h [cm] | 108, | ||
=== 50° === | === 50° === | ||
- | Für einen Winkel von Θ=50° ergeben sich folgende Messwerte | + | Für einen Winkel von φ=50° ergeben sich folgende Messwerte |
- | + | ||
- | ^ Messung | + | |
- | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | + | |
- | | 1 | 0,391 | 0,289 | 0,395 | | + | |
- | | 2 | 0,386 | 0,341 | 0,380 | | + | |
- | | 3 | 0,319 | 0,293 | 0,445 | | + | |
- | | 4 | 0,446 | 0,266 | 0,449 | | + | |
- | | 5 | 0,367 | 0,246 | 0,410 | | + | |
- | | ||| | | + | |
- | ^ Mittelwert | + | |
- | ^ Standartfehler | + | |
+ | ^ Messung | ||
+ | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | ||
+ | | 1 | 0,391 | 0,289 | 0,395 | | ||
+ | | 2 | 0,386 | 0,341 | 0,380 | | ||
+ | | 3 | 0,319 | 0,293 | 0,445 | | ||
+ | | 4 | 0,446 | 0,266 | 0,449 | | ||
+ | | 5 | 0,367 | 0,246 | 0,410 | | ||
+ | | ||| | | ||
+ | ^ Mittelwert | ||
+ | ^ Standardfehler | ||
+ | | |||| | ||
+ | ^ Länge h [cm] | 85, | ||
=== 65° === | === 65° === | ||
- | Für einen Winkel von Θ=50° ergeben sich folgende Messwerte | + | Für einen Winkel von φ=65° ergeben sich folgende Messwerte |
- | ^ Messung | + | ^ Messung |
- | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] | + | | | Fallzeit [s] | Fallzeit[s] |
- | | 1 | 0,267 | + | | 1 | 0,267 |
- | | 2 | 0,227 | + | | 2 | 0,227 |
- | | 3 | 0,230 | + | | 3 | 0,230 |
- | | 4 | 0,212 | + | | 4 | 0,212 |
- | | 5 | 0,241 | + | | 5 | 0,241 |
- | | ||| | | + | | |
- | ^ Mittelwert | + | ^ Mittelwert |
- | ^ Standartfehler | + | ^ Standardfehler |
+ | | |||| | ||
+ | ^ Länge h [cm] | 56, | ||
+ | === Unsicherheit der Winkel === | ||
+ | Für die berechneten Winkel wurden die Fehler gemäß Auswertung berechnet: | ||
+ | ^ ^ Stab 1 und Stab mit Pappe ^ | ||
+ | | Winkel in rad | Fehler | ||
+ | | 0,09 | 0,04 | | ||
+ | | 0,347 | 0,011 | | ||
+ | | 0,609 | 0,005 | | ||
+ | | 0,871 | 0,003 | | ||
+ | | 1, | ||
+ | ^ ^ Stab 2 ^ | ||
+ | | Winkel in rad | Fehler | ||
+ | | 0,085 | 0,011 | | ||
+ | | 0, | ||
+ | | 0, | ||
+ | | 0, | ||
+ | | 1, | ||
====== Computerprogramm ====== | ====== Computerprogramm ====== | ||
- | Für die numerische Berechnung der Bewegunsgleichung wurde der folgende Code in Python geschrieben. | + | Für die numerische Berechnung der Bewegunsgleichung wurde der folgende Code in Python geschrieben. In der überarbeiteten Fassung berechnet er für alle Winkel im Intervall [0,05;1,5] Radiant die Fallzeiten. Die Daten werden automatisch als Plot und formatierte Textdatei zur weiteren Verwendung(z.B. QTIPlot) gespeichert. |
<code python [enable_line_numbers=" | <code python [enable_line_numbers=" | ||
import math | import math | ||
- | # Voreinstllungen | + | import numpy as np |
- | Anfangswinkelliste=[0.085,0.3453,0.6089,0.8715,1.1338] #Gemessene Winkel in Radiant | + | import matplotlib.pyplot as plt |
+ | ############### | ||
+ | Erdbeschleunigung= 9.81 # Erdbeschleunigung in m/s^2 | ||
+ | Meta=[] # Liste in der die Berechneten Fallzeiten gespeichert werden | ||
+ | winkelliste=[] | ||
+ | Berechnungswinkel=0.05 | ||
+ | while Berechnungswinkel <= 1.51: | ||
+ | winkelliste.append(format(Berechnungswinkel,' | ||
+ | Berechnungswinkel += 0.01 | ||
+ | Winkelliste=list(map(float, winkelliste)) | ||
- | Anfangsbeschleunigung= 9.81 # Beschleunigung zum Zeitpunkt t=0 in m/s^2 | + | ############### |
- | Anfangsgeschwindigkeit = 0 # Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t=0 in m/s | + | print(" |
- | Stablänge = 0.749 # Länge des Stabes in Metern | + | Stablänge = float(input(" |
- | Zeitschritt =0.001 # Zeitschritt in Sekunden | + | print(" |
- | Tau= math.sqrt((2*Stablänge)/ | + | Zeitschritt =float(input(" |
- | Meta=[] # Liste in der die Berechneten Fallzeiten gespeichert werden | + | ############### |
+ | Tau= math.sqrt((2*Stablänge)/ | ||
+ | for Winkel in Winkelliste: | ||
+ | listewes=[] | ||
+ | Momentanwinkel=Winkel | ||
+ | Momentangeschwindigkeit=0 | ||
+ | while Momentanwinkel < | ||
+ | Beschleunigung= math.sin(Momentanwinkel)/ | ||
+ | Geschwindigkeit= Momentangeschwindigkeit + Zeitschritt*Beschleunigung | ||
+ | neuerwinkel= Momentanwinkel + Zeitschritt*Geschwindigkeit | ||
+ | listewes.append(neuerwinkel) | ||
+ | Momentanwinkel=neuerwinkel | ||
+ | Momentangeschwindigkeit=Geschwindigkeit | ||
- | # | + | |
- | for Anfangswinkel in Anfangswinkelliste: | + | Meta.append(k) #Einhängen der Fallzeiten in die Liste Meta |
- | Startbeschleuni= math.sin(Anfangswinkel)/ | + | |
- | Startgeschwendi= Anfangsgeschwindigkeit +Zeitschritt * Startbeschleuni | + | ############### |
- | Startwinkel = Anfangswinkel + Zeitschritt *Startgeschwendi | + | data = np.array([np.array(Winkelliste).astype(np.float) , np.array(Meta).astype(np.float) ]).T #Umwandeln der Winkel und Fallzeiten in ein Array und Transponieren der Daten |
- | Winkelt= Startwinkel | + | datafile_path = ' |
- | gest= Startgeschwendi | + | with open(datafile_path, |
- | listebes=[Startbeschleuni] | + | np.savetxt(datafile_id, |
- | listeges=[Startgeschwendi] | + | |
- | listewes=[] | + | |
- | b=Zeitschritt | + | |
- | + | ||
- | while Winkelt | + | |
- | bes=math.sin(Winkelt)/ | + | |
- | listebes.append(bes) | + | |
- | ges= gest + b*bes # | + | |
- | listeges.append(ges) | + | |
- | wes= Winkelt + b*ges # Berechnen des Winkel | + | |
- | listewes.append(wes) | + | |
- | Winkelt=wes | + | |
- | gest=ges | + | |
- | + | ||
- | | + | |
- | Meta.append(k) #Einhängen der Fallzeiten in die Liste Meta | + | |
| | ||
- | | + | ############### |
- | for item,nextitem in zip(Meta, Anfangswinkelliste): # Ausgabe der Berechneten Startzeiten | + | xstart= 0 |
- | print('Die Fallzeit | + | xend= 1.6 |
+ | xticks= 0.05 | ||
+ | ystart= 0 | ||
+ | yend= 1.5 | ||
+ | plt.figure(figsize=(20,10), dpi=100) | ||
+ | plt.grid(True,zorder=0) | ||
+ | plt.axis([xstart, | ||
+ | plt.title('Numerische Berechnung der Fallzeiten | ||
+ | plt.xticks(np.arange(xstart,xend,xticks)) | ||
+ | a=plt.scatter(Winkelliste, | ||
+ | plt.legend([a], | ||
+ | plt.xlabel(' | ||
+ | plt.ylabel('Fallzeiten in S' | ||
+ | plt.savefig(' | ||
+ | plt.close | ||
+ | </ | ||
+ | ===== Überprüfung des Code===== | ||
+ | Um den Code zu verifizieren wird die Fallzeit bei einer Stablänge von 1.45 m bei einem Startwinkel von 0.25 rad und einem Zeitschritt von 0.01 s berechnet. Diese beträgt 0.8 Sekunden. Der Vergleich mit der Grafik aus der Aufgabenstellung bestätigt die Berechnung. | ||
+ | {{ : | ||
- | </ | ||
====== Dokumentation von Fehlern ====== | ====== Dokumentation von Fehlern ====== | ||
+ | Ein häufig aufgetauchter systematischer Messfehler, liegt in der gedämpften Schwingung des Besenstiels, | ||
+ | |||
{{ : | {{ : | ||
- | ===== Syntax | + | Die dadurch zusätzlich entstehenden Schallwellen interferieren |
- | Hier noch Links zu | + | |
- | * den [[doku> | + | |
- | * [[: | + | |
- | * [[: | + | |