Der Versuch wurde durchgeführt von: Jan Schimansky und Davin Höllmann
Die Wiki-Seite wurde angelegt am: 13 Januar 2021 16:22

Im folgenden Versuch wird die Drehschwingung eines Torsionsmoduls und die damit verbundene Physik untersucht. Der Versuch ist in zwei Teile aufgeteilt. Zum einen werden im Home-Lab Messreihen von vier verschiedenen Torsionsaufhängungen die Torsionsmodule bestimmt indem ein Stab mit bekanntem Trägheitsmoment ausgelenkt wird und die Periodenzeit gemessen wird. Zusätzlich werden die Trägheitsmomente zweier Gegenstände über eine zuvor bestimmte Torsionsaufhängungen ermittelt.

Im Wiki werden die Vorüberlegungen und der Versuchsaufbau sowie die zugehörigen Messwerte dokumentiert.
Der Versuchsbericht deckt dann die Auswertung und Erklärung des Beobachteten ab.

\begin{align} Gl. (1)&=>\:\;D=-D_R \varphi\\ Gl. (2)&=>\:\;I \ddot{\varphi}=-D_R\varphi\\ Gl. (3)&=>\:\;\varphi(t)=\varphi_0\cdot\text{cos}\omega t;\:\;\omega=\sqrt{\frac{D_R}{I}} \end{align}

\begin{align} T&=\frac{2\cdot \pi}{f}\\ => T&=2\cdot \pi \sqrt{\frac{2\cdot L\cdot I}{\pi\cdot G\cdot r^4}} \end{align}

Lösen mit dem Ansatz $\varphi=A\cdot \text{sin}(\omega t) + B\cdot \text{cos}(\omega t)$ \begin{align} \varphi(t=0)\text{ und }\ddot{\varphi}(t=0) \end{align}

$D$, $D_R$, $I$, $\varphi$ werden in folgenden Einheiten gemessen \begin{align} [D]&=N\cdot m\\ [D_R]&=\frac{N\cdot m}{rad}\\ [I]&=kg\cdot m^2\\ [\varphi]&=rad \end{align}

\begin{align} I \ddot{\varphi}&=-D_R\varphi_0\cdot\text{cos}\omega t\\ I\cdot \omega^2&=D_R\\ \omega^2&=\frac{D_R}{I}\\ => \omega&=\sqrt{\frac{D_R}{I}} \end{align}

Um das Drehmoment eines beliebigen Objekts, beispielsweise einer rotierenden Scheibe oder eines Rades, experimentell zu bestimmen, kann man es beispielsweise mittels einer Halterung oberhalb seines Schwerpunkts frei drehbar aufhängen. Lenkt man diese Anordnung aus der Ruhelage aus, so beginnt es als physikalisches Pendel mit einer leicht messbaren Schwingungsdauer T um die Ruhelage zu schwingen. Für das Drehmoment des Objekts um gilt dann: \begin{align} D=r\times F \end{align}

W=

Der Satz von Steiner dient zur Berechnung des Trägheitsmomentes eines starren Körpers, dessen Drehachse nicht durch den Schwerpunkt verläuft, sondern parallel zur Schwerpunktachse verschoben ist. \begin{align} I_2=I_1+m\cdot d^2 \end{align} $I_1$ - Trägheitsmoment des Körpers auf der Schwerachse
$I_2$ - Trägheitsmoment des Körpers auf der wirklichen Drehachse
$m$ - Masse des Körpers
$d$ - Abstand zwischen Schwerachse und und wirklichen Drehachse

Zuerst wird der mitgegebene Stab vermessen damit das zugehörige Trägheitsmoment ausgerechnet werden kann. Die Ausmaße wurden mit einer digigtalen Schieblehre (±0,005mm) und die Masse mit einer Küchenwaage (±0,5g) gemessen.

Für alle folgenden Messungen folgt der gleiche Grundaufbau und das gleiche Verfahren. Die Drähte sind jeweils an einer Aufhängung und dem drehenden Gegenstand befestigt. Die Länge des Drahtes wird von der Aufhängung zum Mittelpunkt des Stabes mit einem Zollstock (±0,5mm) gemessen. Die Drahtdicken werden wie der Stab per digitaler Schieblehre gemessen. Hängt der Stab nun ruhig wird er um einen Winkel $\phi$ ausgelenkt. Da die Größe der Auslenkung keine besondere Bedeutung hat, kann sie beliebig groß ausfallen. Gemessen werden dann 5 Periodendauern am Stück mithilfe einer Handystoppuhr (±0,005s). Eine Messreihe besteht dabei immer aus 5 Messungen a 5 Periodendauern.

In diesem Teil werden für 4 verschiedene Torsionsaufhängungen Messreihen durchgeführt. Dabei werden für einen Kupferdraht, eine monofile Angelschnur und einen dickeren sowie dünneren Federstahldraht Messungen mit dem mitgegebenen Stab durchgeführt um in der Auswertung die jeweiligen Torsionsmodule der Drähte zu bestimmen.

Zuerst werden fünf Messreihen für unterschiedliche Drahtlängen mit einem dünnen Federstahldraht durchgefüht. Die Drahtdicke beträgt (0,320mm±0,005mm).

Anschließend wird eine Messreihe mit einem dicken Federstahldraht durchgefüht. Die Drahtdicke beträgt (0,420mm±0,005mm) und die Drahtlänge (298,0mm±0,5mm).

Zusätzlich wird eine Messreihe mit einem Kupferdraht durchgefüht. Die Drahtdicke beträgt (0,320mm±0,005mm) und die Drahtlänge (456,0mm±0,5mm).

Als letzte Torsionsaufhängung wird eine Messreihe mit einer monofilen Angelschnur durchgefüht. Die Drahtdicke beträgt (0,530mm±0,005mm) und die Drahtlänge (298,0mm±0,5mm).

Der Grundaufbau bleibt gleich. Anstatt des Stabes werden nun aber jeweils einmal eine Bierflasche und ein Tennisball als Geometrien des Torsionspendels genutzt. Genutzt wird dabei durchgehend der dünne Federstahldraht um eine genaue experimentelle Bestimmung der Trägheitsmomente zu erlauben.

Gestartet wird mit einer Flensburgerflasche und einer Drahtlänge von (254,0mm±0,5mm).

Als zweiter Gegenstand dient ein alter Tennisball dessen Befestigung eine Drahtlänge von (146,0mm±0,5mm) aufweist.

Der Tennisball wird zusätzlich mit der der Schieblehre (±0,005mm) und der Küchenwaage (±0,5g) vermessen, um später das Trägheitsmoment zu berechnen.