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Xeal
Anmeldungsdatum: 29.05.2007
Beiträge: 243
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 Xeal Verfasst am: 09. Feb 2010 17:43 Titel: Geschlossener Impulsstromkreis Karlsruher Physikkurs |
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Hallo Leute,
Meine Frage richtet sich an alle, die sich mit dem Karlsruher Physikkurs ein wenig auskennen (vgl. http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de)
speziell geht es um die Situation im Anhang.
Der Mensch übt eine Kraft auf die (feste) Wand aus. Ebenso übet die Wand eine Kraft auf den Menschen aus. Es handelt sich um den Statischen Fall.
In KPK Sprache würde man sagen: Es handelt sich um einen geschlossenen Impulsstromkreis. Wobei der Kraftmesser die Stärke des Impulsstromes misst. Je größer die Kraft, desto größer der Impulsstrom. Dies stellt gewissermaßen einen Spezialfall im Strom-Antriebs- Widerstandskonzept des KPK dar, weil hier kein Widerstand vorhanden ist ("Supraimpulsstrom").
Soweit so gut.
Nun die Frage des Professors: Mit welcher Geschwindigkeit fließt der Impulsstrom ?
Meine Überlegung: Impuls fließt meiner Erfahrung nach instantan. Wenn ein Körper über eine Fläche gleitet, so verliert er sofort und kontinuierlich einen Teil seines Impulses. Die Geschwindigkeit ist also unendlich groß.
Dies ist daher auch die Geschwindigkeit im geschlossenen Impulsstromkreis (denn wieso sollte die Geschwindigkeit des Impulses in dieser Situation anders sein? )
Lustigerweise sprechen die Bücher des KPK diese Frage nicht an.
Ich frage mich auch, ob es sich um eine Fangfrage handelt. Für physikalisch relevant halte ich sie eigentlich nicht... Oder doch ?!
Grüße
Holger
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 09. Feb 2010 18:46 Titel: Re: Geschlossener Impulsstromkreis Karlsruher Physikkurs |
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Hm, da weiß ich bisher auch noch nicht die fertige Lösung.
Ich denke mal, Impulsüberträge sind normalerweise erstmal nicht instantan, zum Beispiel dauert es bei einem elastischen Stoß zwischen zwei verformbaren Körpern eine endliche Zeit, bis der übertragene Impuls vom einen zum anderen Körper geflossen ist.
(Nur bei einem Stoß zwischen zwei starren Körpern wird der Impuls instantan übertragen, also ein endlicher Impulsübertrag in unendlich kurzer Zeit bei unendlich großer Kraft (= unendlich großem Impulsstrom).)
Vielleicht eine Rückfrage, die auch mir helfen könnte, mich da etwas weiter hineinzudenken: Was genau ist hier Antrieb, Widerstand und Strom?
Strom = Impulsstrom = die Kraft, die der Kraftmesser anzeigt.
Widerstand = ?
Antrieb = ?
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Xeal
Anmeldungsdatum: 29.05.2007
Beiträge: 243
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| Xeal Verfasst am: 09. Feb 2010 21:16 Titel: |
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Hallo !
Ich freue mich über die rege Diskussion 
Man muss berücksichtigen, dass es sich bei meinem Beispiel explizit um einen spezialfall für Impulsströme handelt (dies betont der KPK).
Betrachte folgende Situation:
Ein Gleiter rutscht über einen Tisch. Dabei wird der Gleiter durch die Reibung immer langsamer: Es fließt Impuls aus dem Gleiter in den Tisch.
Der Antrieb dafür ist der Geschwinidgkeitsunterschied (intensive Größen) zwischen Gleiter und Tisch. Der Widerstand ist durch die Auflagefläche /Material gegeben. Er bestimmt, wie groß der Impulsstrom ist. Sagt aber nichts über die Geschwindigkeit aus, mit der der Impuls heraus fließt !
In der E-Lehrer ist der Antrieb der Potentialunterschied (intensive Größen). Der Strom ist hier ein Elektrizitätsstrom (extensive Größe pro Zeiteinheit).
Der Widerstand ist der Elektrische Widerstand (gegeben durch Querschnitt, Länge und Material des Leiters).
Für einen Stoß ist mir nicht bekannt, dass man von dem Widerstand des Übertragenen Impulsstroms spricht...
Der Witz an der von mir beschriebenen Situation: Der Impuls fließt im Kreis, ohne, dass er in die Umgebung "dissipiert" wird, wie bei dem Gleiter auf dem Tisch. Dies liegt daran, dass hier kein Widerstand vorhanden ist.
Der Fall der von Very Ape beschrieben wird, ist meines aus KPK-Sicht äquivalent mit dem von mir beschriebenen Problem: Es gibt einen geschlossenen Impulsstrom von der Person durch die Feder und wieder zurück in die Person.
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 09. Feb 2010 21:50 Titel: |
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Die andere Diskussion ist inzwischen so lebhaft geworden und so tief auf wohl andere Aspekte eingegangen, dass wir sie dorthin abgespalten haben:
http://www.physikerboard.de/ptopic,100570.html#100570
also gerne je nach Teilthema im jeweiligen Thread weitermachen
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Damit haben wir hier in unserem Fall keinen Antrieb (da Geschwindigkeitsdifferenz Null).
(Beim Widerstand werde ich allerdings glaube ich noch ein bisschen brauchen, um genau zu verstehen, was der Widerstand dann dementsprechend hier in unserem Fall ganz genau ist  ).
Könnte eine mögliche Lösung der Frage sein, dass wir ja noch nicht berücksichtigt haben, dass wir wegen actio = reactio zwei entgegengerichtete Impulskreisströme haben, die sich gegenseitig zu Null addieren? So dass so betrachtet die Strömungsgeschwindigkeit des Impulses insgesamt gleich Null ist?
Mit "Antrieb gleich Null" und "Gesamtimpulskreisstrom gleich Null" hätten wir dann eine Betrachtungsweise, in der dann der konkreten Wert des Widerstandes egal wäre (eventuell vorausgesetzt, er ist nicht gerade Null oder unendlich, dann müsste man nochmal genauer hinschauen).
Ist so etwas eine sinnvolle Betrachtungsweise?
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Xeal
Anmeldungsdatum: 29.05.2007
Beiträge: 243
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| Xeal Verfasst am: 09. Feb 2010 22:49 Titel: |
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Hallo Markus,
Der KPK betont explizit, dass es hier einen geschlossenen Impulsstromkreis gibt (die angehängt skizze zeigt diesen. Die skizze ist aus dem offiziellen Skript der Uni Karlsruhe zur Experimentalphysik 1).
Wegen Aktio = Reactio ist gerade deine Aussage zu den entgegengesetzten Impulsströmen falsch:
Die Person übet eine Kraft auf die Wand aus: Damit Fließt Impuls von der Person in die Wand.
Wegen Aktio = Reactio übt die Wand eine Kraft auf die Person aus, die entgegengesetzt gerichtet ist: Damit Fließt ein Impuls von der Wand in die Person.
Die beiden Impulsströme sind gleich groß, haben aber eine unterschiedliche Richtung. Der Impuls häuft sich auch nirgendwo in der Wand oder in der Person an (denn das System ist statisch). Der Impuls verteils sich sozusagen gleichmäßig, wie eine Flüssigkeit im einem geschlossenen Rohrsystem.
Betrachten wir doch eine Flüssigkeit im Rohrsystem (denn der KPK schreibt sich diese Analogie auf die Brust): Angenommen wir haben keine Reibungskräfte und eine ideale Flüssigkeit. Wenn in einer solchen Rohrschleife die Flüssigkeit erst einmal in Bewegung ist, hört sie nicht mehr auf zu strömen.
Bei einem solchen System haben wir allerdings einen Vorteil gegenüber dem mechanischem System: Die Leitung für die Flüssigkeit ist eindeutig festgelegt. Dort können wir die Kontinuitätsgleichung Anwenden und die Geschwindigkeit des Fluids an jeder stelle bestimmen (oder ?)
Im Mechanischen System ist unsere Impulsleitung amorph.
| Zitat: | | Mit "Antrieb gleich Null" und "Gesamtimpulskreisstrom gleich Null" hätten wir dann eine Betrachtungsweise, in der dann der konkreten Wert des Widerstandes egal wäre (eventuell vorausgesetzt, er ist nicht gerade Null oder unendlich, dann müsste man nochmal genauer hinschauen). |
Der KPK sagt im Skript: Es gibt einen geschlossenen Impulsstrom. Der Widerstand ist 0. Außerdem sagt der KPK: Um den Impulsstrom aufrechzuerhalten, ist kein Antrieb notwendig.
Ich stelle mir das ganze momentan so vor, dass der Impulsstrom einmal "angeschoben" wird, und dann unendlich lange im Kreis fließt. Da er widerstand 0 ist, wird kein Impuls dissipiert, und es ist kein Antrieb notwendig, um den Impulsstrom aufrecht zu erhalten.
Die Frage nach der Geschwindigkeit stellt sich allerdings weiterhin ^^
In meiner Vorstellung, würde die Geschwindigkeit des Impulsstromes davon abhängen, wie groß der Kraftstoß auf den Kraftmesser ist... 
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 10. Feb 2010 03:09 Titel: |
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Danke für die Erklärungen
Damit habe ich nun verstanden, dass der Widerstand der "Verlustprozess" ist, der zwischen Antrieb und Strom liegt (der elektrische Widerstand wandelt einen Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie um, der Widerstand zwischen Antrieb "Geschwindigkeitsdifferenz" und Strom "Impulsstrom" wandelt einen Teil der kinetischen Energie in Wärmeenergie (Reibungsenergie) um).
Und damit ist dieser Widerstand hier in der Tat Null.
| Xeal hat Folgendes geschrieben: |
In meiner Vorstellung, würde die Geschwindigkeit des Impulsstromes davon abhängen, wie groß der Kraftstoß auf den Kraftmesser ist... |
Ich glaube, das ist eine sehr gute Richtung für einen Ansatz Ich habe sogar ein schönes Bild gefunden, wie ich als Antrieb für diesen Kraftstoß während des Auseinanderziehens des Kraftmessers eine Geschwindigkeitsdifferenz hernehmen kann:
Der Mensch steht vor der Wand, und hält den Federkraftmesser locker in den Fingern (sein Arm sei mal angewinkelt). Es wirkt also keine Kraft zwischen Wand und Mensch, es gibt also noch keinen Impulsstrom.
In der Wand sei ein offenes Fenster, durch das kommt ein Volleyball geflogen, trifft den Menschen am Unterarm und überträgt dabei (instantan) einen Impuls auf den Unterarm.
Nun haben wir eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Unterarm und Wand, weil der Unterarm den Impuls p hat.
Als nächstes bremst der Federkraftmesser den Unterarm ab, dabei wird der Federkraftmesser gedehnt, der Impulsfluss in die Wand hinein (entsprechend der Kraft zwischen Unterarm und Wand) wird immer größer, bis der Unterarm auf Geschwindigkeitsdifferenz Null abgebremst ist, der Federkraftmesser seine endgültige Ausdehnung hat, die Kraft zwischen Unterarm und Wand ihren endgültigen Wert erreicht hat und damit auch der Impulsstrom in die Wand hinein seinen vollen Wert erreicht hat, und der gesamte Impuls des Armes in die Wand hineingeströmt ist.
(Der Impulsstromvektor  hat nicht die Richtung des ursprünglichen Impulses  des Unterarmes, sondern die Richtung des Differenzimpulses  des Armes.)
In diesem Moment beginnt der Mensch, seinen Körper anzuspannen, damit der Impulsfluss, der nun aus dem Boden kommt, durch seinen Körper in seinen Arm und zurück in die Wand fließen kann.
Nun ist der Impulsstromkreis geschlossen. Das heißt, es wirkt eine Kraft im Menschen (angespannte Muskeln), in der Feder (angespannte Feder) und in der Wand+Boden (die ist zwar sehr starr, biegt sich aber trotzdem vielleicht biegen sie sich trotzdem ein ganz kleines bisschen, während die Kraft in ihr wirkt = während der Impulsstrom durch die hindurchfließt.) Und natürlich auch eine Kraft zwischen Mensch und Feder, zwischen Feder und Wand, zwischen Boden und Mensch.
Mit meiner Vermutung zu den zwei entgegengesetzten Impulsströmen von oben lag ich also falsch: Richtig ist:
Ein einziger Impulsstrom (dessen Richtung anzeigt, in welche Richtung der Impuls beim "Anlaufen des Impulsstroms" in den Impulsstromkreis eingespeist wurde) fließt, während überall im Impulsstromkreis die Kräfte actio und reactio in beide Richtungen wirken, um "die Verbindung für den Strom aufrechtzuerhalten".
Damit wissen wir also nun (bzw. können aus dem Federausdehnungsvorgang ausrechnen), wieviel Impuls in diesem Impulsstromkreis umläuft. Und wir können sicher auch messen oder schätzen, wie lange der Weg in Metern ist, um einmal diesen Kreis entlangzugehen.
Nun kenne ich vom elektrischen Strom die Formel (Diese Herleitung mag ein Umweg für alle sein, die schon einen direkteren Weg kennen, ich verwende einfach mal das, was ich gerade am schnellsten weiß):
mit I : Stromstärke
n: Ladungsträgerdichte (in Teilchen pro Volumen)
e : Ladung eines Ladungsträgers
v: Geschwindigkeit der Ladungsträger
A: Drahtquerschnitt
Das n*e*A entspricht also der elektrischen Ladung pro Drahtlänge.
Damit hätten wir analog:
Impulsstromstärke = (Impuls pro Weglänge) * v
Und damit haben wir für die Geschwindigkeit, mit der der Impuls strömt:
v = Impulsstromstärke * (Weglänge einmal im Kreis herum) / (eingespeister Impuls)
Was meinst du, habe ich da schon ein bisschen was richtig verstanden, und vielleicht deine Idee sinnvoll weiterverwendet?
(Übrigens zeigt die Impulsstromrichtung in dem Kreis sehr schön an, in welche Richtung der Impuls wieder herauskommt, wenn man den Kreis unterbricht. Lässt man zum Beispiel die Armmuskeln locker und unterbricht so den Impulsstromkreis, so wird der Unterarm nach vorne zur Wand hin beschleunigt, bis er den gesamten Impuls hat, der in dem Impulsstromkreis dringewesen war )
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Xeal
Anmeldungsdatum: 29.05.2007
Beiträge: 243
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| Xeal Verfasst am: 10. Feb 2010 07:47 Titel: |
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Hey Markus,
Ich bin begeistert
Die Idee, die Formel  zu verwenden, finde ich klasse.
Man muss die Analogie zwischen Elektrizität und Impuls offenbar nur konsequent genug denken.
Hätte man mich gefragt, wie groß die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einer Leitung ist, hätte ich vermutlich die oben genannte Formel hergeleitet.
Aber bei der Frage nach der Impulsstromgeschwindigkeit bin ich verzweifelt.
Verrückt 
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