Physik Drehimpuls?

2 Antworten

Lösung

a. Endgeschwindigkeit v2

Die Endgeschwindigkeit v2 des Teilchens hängt von der Zentripetalkraft ab, die auf das Teilchen wirkt. Diese Kraft wird durch die Spannung des Fadens bereitgestellt.

Die Zentripetalkraft ist gegeben durch:

F_z = m * v^2 / r

wobei

  • m die Masse des Teilchens in kg ist
  • v die Geschwindigkeit des Teilchens in m/s ist
  • r der Radius der Kreisbahn in m ist

Wenn die Hand abgesenkt wird, verringert sich der Radius r. Um die Zentripetalkraft konstant zu halten, muss die Geschwindigkeit v des Teilchens zunehmen.

Die Beziehung zwischen v2 und r2 kann also durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

v_2^2 = v_1^2 * r_1^2 / r_2^2

b. Arbeit W

Die Arbeit W, die erforderlich ist, um das Teilchen von der Bahn mit r1, v1 auf eine Bahn mit r2, v2 zu ziehen, kann durch das folgende Wegintegral berechnet werden:

W = \int_a^b F_z \cdot dx

wobei

  • F_z die Zentripetalkraft in N ist
  • dx der infinitesimale Wegelement in m ist
  • a und b die Anfangs- und Endpunkte des Weges sind

Die Zentripetalkraft ist gegeben durch:

F_z = m * v^2 / r

Das Wegintegral kann also wie folgt umgeschrieben werden:

W = \int_a^b m * v^2 / r \cdot dx

Wenn wir die Geschwindigkeit v als Funktion des Radius r annehmen, können wir das Wegintegral integrieren:

W = \int_a^b m * v_2^2 / r_2 \cdot dx
W = m * v_2^2 \ln(r_2)

c. Unterschied der kinetischen Energien

Die kinetische Energie des Teilchens auf der ersten Bahn ist gegeben durch:

E_k1 = \frac{1}{2} m v_1^2

Die kinetische Energie des Teilchens auf der zweiten Bahn ist gegeben durch:

E_k2 = \frac{1}{2} m v_2^2

Der Unterschied der kinetischen Energien ist also:

E_k2 - E_k1 = \frac{1}{2} m (v_2^2 - v_1^2)
E_k2 - E_k1 = \frac{1}{2} m v_1^2 (r_1^2 - r_2^2) / r_2^2
E_k2 - E_k1 = \frac{1}{2} m v_1^2 r_1^2 / r_2^2

Dieser Ausdruck ist gleich der Arbeit W, die erforderlich ist, um das Teilchen von der Bahn mit r1, v1 auf eine Bahn mit r2, v2 zu ziehen.

Zusammenfassung

Die Endgeschwindigkeit v2 des Teilchens hängt von der Beziehung zwischen dem Radius r2 und dem Radius r1 der Kreisbahn ab.

Die Arbeit W, die erforderlich ist, um das Teilchen von einer Bahn auf eine andere zu ziehen, ist proportional zur kinetischen Energie des Teilchens auf der ersten Bahn.

Ja, so war das vor 36 Jahren im ersten Semester in Physik :-) Die sind soooo gemein. Aber es gilt halt Energieerhaltung und Drehimpulserhaltung. Und dann viel Erfolg beim Rechnen!