Kann man Berechnen wo die Kugel zu jeder Zeit ist?

Erste Frage Aufrufe: 417     Aktiv: 21.02.2023 um 22:18

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Gegeben sollen zwei Federn sein, die gleiche Federkonstanten besitzen, das Gewicht der Kugel soll nicht betrachtet werden, genau wie die Reibung.
Die Grüne Feder soll den allgemeinen Energieärmsten Zustand (Vakuum) darstellen. Nun wird die Kugel um die Strecke S2 nach unten gezogen und „schnippen“gelassen. Die Kugel bewegt sich in der Vertikalen zwischen den Punkten S2max und -S2max (also Strecke S2 nach oben und unten von Mittelpunkt).
Wichtig: Ist nur ein Gedankenspiel
Gedanke 1: Die Kugel bewegt sich ohne Änderungen auf der x-Achse, weil beide Federn dieselbe Federkonstante besitzen.
Gedanke 1,5: Die Strecke S1 sollte sich ändern (die Länge der Feder) obwohl die Kugel immer denselben Abstand zu beiden Wänden hat.
Gedanke 2: da es keine Reibung gibt, sollte die Kugel nicht gebremst werden und unendlich weiter schwingen => Epot wird zu Ekin wird zu Epot.
Gedanke 3: die Ausdehnung der Feder sollte eine quadratische Fkt sein, wahrscheinlich eine gestreckte Parabel (Zahl n > x² )
Gedanke 4: man müsste das Integral zwischen S2max und -S2max als Maximalwerte benutzen.

Nun meine Frage: ist es möglich eine Funktion (Fkt) aufzustellen, die die Position der Kugel zu jeder Zeit angeben kann und wenn ja, wie sollte ich beginnen?

Mit fragenden Grüßen
Jack
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1 Antwort
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Guten Abend Jack,

ja klar. Das geht. Dein Ziel erreichst du über eine sog. Differentialgleichung.
Du musst dazu zuerst alle beteiligten Kräfte aufschreiben und in einer Gleichung mit einander in Beziehung setzen.
Dann musst du für deine DGL einen Ansatz wählen. Das ist leicht, denn bei dieser Schwingung handelt es sich um
eine periodische Bewegung die gut mithilfe z.B. einer Sinus-Funktion dargestellt werden kann.

Dann erstellst du eine Lösung für die Schwingungsfrequenz und bist fertig.

Der erste und schwierigste Schritt ist das aufstellen einer DGL.
Aber für solch ein gekoppeltes System aus zwei Federn wirst du bestimmt etwas im Netz finden.

Viele Grüße,

Max Metelmann
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Das Problem bei dieser Schwingung quer zur Auslenkungsrichtung der Federn ist, dass die Rückstellkraft nichtlinear ist. Es wird also keine Sinusfunktion werden und das Probelm ist nur näherungsweise lösbar. Du kannst es versuchen, indem du die Rückstellkraft beider Federn berechnest. Dazu brauchst du das Hooke'sche Gesetz und die Dehnungslänge musst du mit dem Satz des Pythagoras berechnen. Durch diesen kommen die nichtlinearen Terme ins Spiel.
Die Masse der Kugeln kann man nicht vernachlässigen, denn ohne Massenträgkeit gäbe es keine Schwingung.
  ─   stefriegel 20.02.2023 um 22:55

Ach du je! Da hat stefriegel ja völlig recht. Ich dachte, das Bild sei verkehrt herum und müsste um 90° gedreht werden. So ist das Problem natürlich viel komplexer.   ─   max.metelmann 21.02.2023 um 00:42

Habt vielen dank für die Ansätze, nun habe ich ja etwas mit dem ich nun Knobeln kann.

gez.: Jack
  ─   user90aced 21.02.2023 um 20:20

Sehr gerne. Wenn du die Rückstellkraft berechnet hast, kannst du es gerne wieder hier reinstellen, dann können wir weiter diskutieren. Tipp: Das Ergebnis hängt davon ab, ob in der Ruheposition der Kugel die beiden Federn vorgespannt sind oder nicht.   ─   stefriegel 21.02.2023 um 22:18

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