Hilfe bei Physik Aufgaben ( Schwingungen)?

3 Antworten

39) Differentialgleichung der freien ungedämpften Schwingung

s´´+wo²*s=0

wo=2*pi/t "Kreisfrequenz" Winkelgeschwindigkeit in rad/s (Radiant pro Sekunde)

allgemeine Lösung ist S(t)=C1*sin(w*t)+C2*cos(w*t)

mit Anfangsbedingung zum Zeitpunkt t=0 und S(0)=0 ergibt

S(0)=C1*sin(w*0)+C2*cos(w*0) mit sin(w*0)=0 und cos(w*0)=1 ergibt C2=0 sonst ist die Anfangsbedingung nicht erfüllt.

1) partikuläre (spezielle) Lösung S(t)=a*sin(w*t)

2) partikuläre(spezielle) Lösung S(t)=a*cos(w*t)

2) Anfangsbedingung t=0 und S(0)=maximal also S(0)=C1*sin(w*0)+C2*cos(w*0)

hier muß C1=0 sein,damit die Anfangsbedingung erfüllt ist

mit 1)

Weg-Zeit-Funktion S(t)=a*sin(w*t)

Geschwindigkeits-Zeit-Funktion V(t)=ds/dt=S´(t)=w*a*cos(w*t)

Beschleunigungs-Zeit-Funktion a(t)=dv/dt=V´(t)=S´´(t)=w²*a*(-1)*sin(w*t)

mit Frequenz f=1/T=5 ergibt T=1/5 und w=2*pi/T=2*pi*5=10*pi

a(t)=(-1)*(10*pi)²*sin(2*pi/5*t)

a(t)=-100*pi²*sin(10*pi*t) nun Extrema der Beschleunigung bestimmen.

aus dem Mathe-Formelbuch

y=f(x)=sin(x)Extrema bei x=pi/2+k*pi mit k=0,1,2,3...

mit k=0 eingesetzt

(10*pi*t)=pi/2+0*pi=pi/2

1.te Extrema bei t=1/(2*10)=1/20 eingesetzt sin(10*pi*1/20)=1>0 Minimum

2.te Extrema bei (10*pi*t)=pi/2+1*pi ergibt t=(1/2+1)/10=3/(2*10)=3/20

eingesetzt sin(10*pi*3/20)=-1 <0 Maximum

Bedingung,das der Stein nicht abhebt ist a ≦ g mit g=9,81 m/s² Erdbeschleunigung

also a(t)=g=(-100*pi²)*(+/-1) maximale Beschleunigung vom Brett

Amplitude (Ausschlag nach oben und unten) nicht größer als a=9,81 m/s²

Hinweis:Gilt natürlich für die Abwärtsbewegung des Sprungbrettes

Bei der Aufwärtsbewegung,wird der Stein mit noch oben geschoben,hebt als dann nicht ab,sondern drückt auf das Brett

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – hab Maschinenbau an einer Fachhochschule studiert

zu 34) zuerst eine Zeichnung machen mit einem Kraft-Weg-Diagramm

aus dem Physik-Formelbuch

Federkraft Ff=D*s Analogie zur Mathematik y=f(x)=m*x ist also eine Gerade,die durch den Ursprung geht

D=m=Federkonstante in N/m (Newton pro Meter)

s=Federweg in m (Meter)

m=D=(F2-F1)/(s2-s1) mit s2-s1=1,4 cm=0,014 m

Auto F1=1000 kg*g

Person+Auto F2=(1000 kg+80 kg)*g

D=(1000+80)*g-1000*g)/0,014=(1000+80-1000)*g/0,014=80*g/0,014

D=80 kg *9,81 m/s²/(0,014 m)=56057,14 N/m

aus dem Physik-Formelbuch,Federpendel

T=2*pi*Wurzel(m/D)

T=Periodendauer (Zeit für eine volle Hin- u. Herschwingung)

Frequenz f=Anzahl der Perioden in 1 Sekunde

Formel f=1/T=1/(2*pi*Wurzel(m/D)=1/(2*pi)*Wurzel(D/m)

siehe Mathe-Formelbuch Wurzelgesetz 1/Wurzel(a/b)=Wurzel(b/a)

also f=1/(2*pi*Wurzel(56057,14 N/m/1080 kg)=1,146..Hz (Hertz)

also 1,15 Perioden (Schwingungen) pro Sekunde.

zu 41)

Formel für die freie gedämpfte Schwingung

Weg-Zeit-Funktion S(t)=e^(-1*b*t)*A*sin(wd*t+c)

zeichne diese Funktion S(t)=e^(-0,1*t)*4 cm*sin(4*t+pi/2)

Daran kannst du trainieren.

Maxima/Minimum wenn sin(4*t+pi/2)=+/-1

aus dem Mathe-Formelbuch,trigonometrische Funktionen

y=f(x)=sin(x)

Extrema bei x=pi/2+k*pi mit k=0,1,2,3....

Mit meinem Graphikrechner (GTR,Casio)

Maxima bei x1max=0 y1max=4 und x2max=1,564 y2max=3,42

x3max=3,135 y3max=2,922 und x4max=4,706 y4max=2,498

Minima x1min=0,779 y1min=-3,70 und x2min=2,35 y2min=-3,16 und

x3min=3,92 y3min=-2,70 und x4min=5,49 y4min=-2,31

Hinweis: f(t)=e^(-0,1*t) nennt man die Hüllkurve,diese berührt die die Maxima

Spiegelung an der x-Achse f(t)=(-1) e^(-0,1*t) berührt die Minima

also f(t)=4 cm *e^(-0,1*t) ist eine exponentielle Abnahme.

Rechne mit S(t)=e^(-b*t)*4*sin(wd*t+pi/2)

pi/2 bewirkt,dass bei t=0 S(0)=e^(-b*0)*4*sin(wd*o+pi/2)=1*4*1=4

5% Abnahme von 4 ergibt

S(t)=4-4/100%*5%=4*(1-0,05)=3,8 m

Daraus kann man die Abklingkonstante b ermitteln

S(0)=4

S(10)=3,8

S(n*Td)=4*e^(-b*(n*Td)

S(n*Td)=3,8=4*e^(-b*10)

3,8/4=e^(-b*10) logarithmiert

ln(3,8/4)=-b*10

b=ln(3,8/4)/(-10)=5,129*10^(-3)

also schon mal S(t)=e^(-5*10^(-3)*t)*A*sin(wd*t+pi/2)

Merke:Der Abstand von 2 Extrema ist die Periodendauer T=Konstant

Weil die Hüllkurve die Maxima berührt,gilt:

S1max/S2max=4/4*e^(-b*t1)/e^(-b*t2) mit t2>t1

S1max/S2max=e^(-b*t1-(-b*t2)=e^(-b*t1+b*t2)=e^(b*(t2-t1) logarithmiert

ln(S1max/S2max)=b*(t2-t1) mit t2-t1=T=Periodendauer

T=ln(S1max/S2max)/b

weiter gilt wd=Wurzel(wo²-b²)

aus dem Physik-Formelbuch,Fadenpendel

T=2*pi*Wurzel(l/g)

wo=2*pi/To=2*pi/(2*pi*Wurzel(l/g)=1/Wurzel(l/g)=Wurzel(g/l)

Wo=Wurzel((9,81 m/s²)1,8m )=2,33 rad/s (Radiant pro Sekunde.

Den Rest schaffst du wohl selber.

Prüfe auf Rechen- und Tippfehler.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – hab Maschinenbau an einer Fachhochschule studiert

maria1234875 
Fragesteller
 15.12.2019, 09:22

Danke. Das ist echt sehr nett, vielen Dank :)

0

40 ) aus dem Physik-Formelbuch

Fadenpendel T=2*pi*Wurzel(l/g

Te=0,8 s und g=9,81 m/s² Erde

Tm=2*pi*Wurzel(l/g*0,37) Mars (gm=g*0,37)

1) Te=2*pi*Wurzel(l(g) ergibt Te²=4*pi²*l/g

l/g=Te²/(4*pi²)

2) Tm=2*pi*Wurzel(l/(g*0,37) ergibt Tm²=4*pi²*l/(g*0,37)

l(g=Tm²/(4*pi²)*0,37

1) u. 2) gleichgesezt

Te²/(4*pi²)=Tm²/(4*pi)*0,37

Te²=Tm²*0,37

Tm=Te/Wurzel(0,37)=0,8 s/Wurzel(0,37)=1,315 s

prüfe auf Rechen- und Tippfehler.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – hab Maschinenbau an einer Fachhochschule studiert