Transcript Gaub-E1-5-4
Bsp.: Rotierende Bezugssysteme eˆ z r r eˆ z O=O‘ eˆ x eˆ x x y Ebene z eˆ y y z eˆ y y x x x y Ebene r t xt eˆx y t eˆ y z t eˆz A dx dy dz v t eˆx eˆ y eˆz dt dt dt Der Beobachter im rotierenden System O‘ beschreibt A: r t r t xt eˆx yt eˆy z t eˆz dr dx dy dz v t eˆx eˆy eˆz dt dt dt dt Beobachter im ruhenden System O ändern sich auch die Einheitsvektoren Für den des Rotienrenden Systems. deˆy dy dz deˆx deˆz dx v x, y, z eˆx eˆy eˆz x y z dt dt dt dt dt dt Gaub WS 2014/14 v u 31 Die Endpunkte der Einheitsvektoren im rotierenden System beschreiben Kreisbahnen: u eˆx x eˆ y y eˆz z eˆx x eˆy y eˆz z r r weilr r v v r deˆx eˆx dt deˆy eˆy dt deˆz eˆz dt dL dL dr dr L r dt dt dt dt Geschwindigkeit im rotierenden System Geschwindigkeit im ruhenden System Gaub WS 2014/14 32 Die Euler‘schen Gleichungen Im Allgemeinen sind und L nicht colinear => Bewegung komplex! R: Raumfestes System dL dL D LR K K: Körperfestes Hauptachsen- dt System (rotiert mit dt R K ausgeschrieben dL L für Achse a: D siehe Kapitel 3 d I a a b Lc c Lb a dt dt a da Ia b I c c c I b b dt d a Euler‘sche Gleichungen: Da I a I c I b c b dt d b Db I b I a I c a c dt d c Dc I c I b I a b a 33 dt Der kräftefreie symmetrische Kreisel Kreisel ohne äußeres Drehmoment => L= const. Bsp.: Fahrradkreisel Ist der Körper rotationssymmetrisch bzgl. einer Achse c, so heißt sie Figurenachse. Dann ist Ia Ib. Bei Rotation um die Figurenachse ist || L Gaub WS 2014/14 34 Der kräftefreie symmetrische Kreisel zu unterscheidende Achsen: Drehimpulsachse L (raumfest) momentane Drehachse (nicht raumfest) Figurenachse c (nur raumfest wenn identisch mit Drehimpulsachse) Der kräftefreie symmetrische Kreisel Drehimpulserhalt. => L2x L2y L2z const. L2a L2b L2c Energieerhaltung => const. I a Ib Ic Die Gleichungen stellen eine Kugel und r einen (um L rotierenden) Ellipsoiden dar. Beide Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein! => Die Spitze von L wandert auf der Schnittlinie beider Figuren Da Trägheitsellipsoid körperfest und L raumfest wandert Figurenachse c im raumfesten System => Nutation Sichtbarkeit der momentanen Drehachse => 36 Der kräftefreie symmetrische Kreisel Sei Ia=Ib Ansatz: a b 0 r Da D 0 gilt (Euler): b a 0 a A cost b A sin t b t a c C c 0 2 2 2 Ic Ia A2 C 2 a b c Ia r Zerlegt man L und L I a e I c c ec mite cost ea sin t eb Nutationsfrequenz: c a2 b2 A Winkel zwischen Figuren- und Ia Drehimpulsachse: tan Winkel zwischen Figurenund moment. Drehsachse: I c c Ia A I c c A sin b Die Figurenachse wandert auf dem Nutationskegel mit Öffnungswinkel 2α, die momentane Drehachse ω auf dem Rastpolkegel mit Öffnungswinkel 2(b) um die raumfeste Drehimpulsachse L. 37 Der kräftefreie symmetrische Kreisel Die Bewegung von Figuren- momentaner Drehachse lässt sich mit dem Gangpolkegel veranschaulichen: Gaub WS 2014/14 38 Präzession des symmetrischen Kreisels Auf einen symmetrischen Kreisel, der sich um seine Figurenachse dreht ( ω||L||r ) und der außerhalb seines Schwerpunkts unterstützt wird, wirkt das Drehmoment: D r m g Daraus resultiert: L DL => nur dL d die Richtung von L ändert sich: D L dt dt d D D Präzessionsfrequenz: P dt L I Ist die Kreiselachse um den Winkel α gegen die Vertikale geneigt, so ist: D r m g sin => p unabhängig von der dL L sin d räumlichen Orientierung der Kreiselachse, nur bestimmt durch L und D P r m g sin I sin rm g I Präzession des symmetrischen Kreisels Ist ωp nicht mehr klein gegen ω, geht auch die Winkelgeschwindigkeit der Figurenachse mit in die Präzession ein: F P sin cos F eF eF sin sin cos sin cos 0 P 0 sin sin cos 1 || || eF eF eF cos Zerlegung von bezgl. Figurenachse e ( e ) sin F F cos cos cos sin sin Präzession des symmetrischen Kreisels 2 L I || || mrs I I || eF cos mrs2 I sin Mit der Annahme, dass der Kreisel nicht „umkippt“ ( θ = const. ) und dass ω = const. gilt: cos cos cos sin sin sin dL 2 2 D I || eF cos mrs I sin cos cos dt 0 sin mit:eF sin cos 0 sin sin 2 2 D I || sin cos cos mrs I sin cos cos 0 0 Gaub WS 2014/14 41 Präzession des symmetrischen Kreisels D I || sin cos mrs2 I 2 sin cos mit D m g r sin nˆ sin Einheitsvektor nˆ cos in Richtung des 0 Drehmoments nˆ P I || P P cos mrs2 I P2 cos m g rs I || P I || I mrs2 P2 cos m g rs Mathematica: I II I II2 2 4( I II I mrS2 )mgrS cos p 2( I II I mrS2 ) cos Gaub WS 2014/14 42 Überlagerung von Präzession und Nutation Rotiert der Kreisel nicht um eine Symmetrieachse, tritt auch noch Nutation auf: Die genaue Form der Bahn hängt von der Nutations- und der Präzessionsfrequenz ab. Gaub WS 2014/14 43 Überlagerung von Präzession und Nutation Demonstration der Überlagerung: der Kardankreisel Gaub WS 2014/14 44 Die Erde als Kreisel Präzession der Erdrotationsachse mit 1/w = 26.000 Jahre (Platonisches Jahr) Drehmoment durch Sonne und Mond Mehr zum Kreisel Erde: http://user.uni-frankfurt.de/~klaudius/Dateien/Pr%E4zession%20und%20Nutation.htm