Kreisbewegung mit Feder

Sameth · Anmeldungsdatum: 01.11.2010 Beiträge: 1

Meine Frage:
Ich kämpfe mit folgender Aufgabe:
Eine im Kreis bewegte Kugel zieht an einer Feder, an der sie befestigt ist.
In eine Skizze soll ich die Kräfte einzeichnen, die wirken und dabei beachten, dass das System aus Kugel und Feder besteht und Kräfte in Paaren auftreten. (a)
Zudem muss der Abstand, bei welchem die Kugel rotiert berechnet werden. Gegeben: Periode T = 1s; Federkonstante k = 100N/m; Masse m = 0.5kg und die Länge l der Feder im Ruhezustand (b)

Meine Ideen:
a) Die Federkraft F = k*?x zeigt von der Kugel in die Mitte. Die Zentripetalkraft F = m*?^2*r zeigt ebenfalls in die Mitte. Die Gewichtskraft F = m*g wirkt von der Kugel senkrecht nach unten.

Die Gegenkräfte sind mir ein wenig rätselhaft. Die Zentrifugalkraft F = m*?^2*r hebt die Zentripetalkraft auf, was mich nicht weiterbringt. Die Normalkraft kommt als Gegenkraft zur Gewichtskraft nicht in Frage, da sich die Kugel in der Luft befindet.

Bei b) kann ich noch nicht allzu viel sagen, da ich nicht weiss, welche Kräfte wirken. Ansonsten kenne ich den Zusammenhang ? = 2?/T

Hoffentlich könnt ihr mir helfen, Ordnung in mein Chaos zu bringen, damit auch meine Kugel eine Kreisbahn beschreibt!

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Fang vielleicht mal mit einer Skizze (Querschnitt) an. Aufhängung, Feder, Kugel, Kräfte (Gewicht, Zentrifugalkraft und Resultierende ~ Federkraft).

[Wobei ich ein ungutes Gefühl nicht verhehlen will bezüglich der Stabilität dieses Gerätes.]

Packo · Gast

Sameth,
die Fliehkraft kannst du aus dem Spiel lassen. Die existiert nämlich nicht!

Auf die Kugel wirken zwei Kräfte
1. die Gravitationskraft
2. die Federkraft.

Damit sich ein Körper im Kreis bewegt, muss die resultierende Kraft genau die Zentripetalkraft sein.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Packo · Gast

Warum einfach wenn's auch kompliziert geht.

Natürlich kann man sich auf ein rotierendes System begeben und dort die Fliehkraft berechnen. In diesem System beschreibt die Kugel dann nicht einmal einen Kreis und man muss wieder ins andere Bezugssystem zurück, um die die Kreisbewegung zu erkennen.

Soweit ich es überblicke, rücken Schulbücher immer mehr und mehr vom Konzept einer Fliehkraft ab und vermeiden dadurch die haarsträubenden Theorien von einer Fliehkraft, die den Mann im Mond am Haarschopf packt, um ihn vor dem Herunterfallen zu bewahren.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Meiner Erfahrung nach sind beide Beschreibungsmöglichkeiten so ähnlich aufwändig oder ähnlich leicht, dass es viel mehr darauf ankommt, mit was der Fragesteller selbst schon am vertrautesten ist als darauf, welche der beiden Beschreibungsmöglichkeiten man wählt.

Macht man Unterricht oder schreibt ein Lehrbuch, dann kann man vielleicht ein Stück weit entscheiden, welche Linie man fahren möchte und welche der Möglichkeiten man als die normale und einfachste einführen möchte. In einem Forum geht es meistens viel mehr darum, was der Fragende selbst schon kennt und wählt, um sich an der Aufgabe zu versuchen.

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Untersuchungen bezüglich der Vorstellung von Kraft zeigen immer das gleiche, erschreckende Bild: die Probanden verstehen den Kraftbegriff nicht.

Die Kraft ist eine Einwirkung auf ein System (in der Systemphysik eine Strom- oder Quellenstärke des Impulses). Folglich muss man zuerst festlegen, von welchem Objekt man redet. Wir reden hier von der Kugel. Auf die Kugel wirken folgende Kräfte ein

In vertikaler Richtung herrscht Gleichgewicht
In horizontaler Richtung erzeugt die Federkraft die Normal- oder Radialbeschleunigung v^2/r

Die Zentripetalkraft ist ein Hilfsbegriff, auf den man schon lange verzichten sollte. Wer eine Zentripetalkraft einführt, zählt wie die wilden Dreizehn in Jim Knopf und der Lokomotivführer (zwölf Brüder und einer davon ist der Hauptmann, also sind es dreizehn). Genau diesen Fehler hat Sameth auch gemacht.

Man kann bei der Kreisbewegung ein rotierendes System einführen, aber dann schiesst man mit Kanonen auf Spatzen. Der Kollateralschaden ist bekannt: die wenigsten Leute wissen danach, dass die Zentrifugalkraft nur bei rotierenden Bezugssystemen eingeführt werden dürfen. Und das ist fatal für das Grundverständnis.

Packo · Gast

Systemdynamiker,
da bin ich anderer Meinung.

Auf die Kugel wirken zwei (und nur zwei) Kräfte
1. die Gravitationskraft
2. die Federkraft

Natürlich kann man diese Kräfte mehr oder weniger sinnvoll in verschiedene Komponenten zerlegen.

Falls ein Körper (in unserem Fall die Kuge) sich in einem Kreis bewegen soll, dann muss die Resultierende aller (äußeren) Kräfte genau die Zentripetalkraft sein, also zum Kreismittelpunkt gerichtet sein und den Betrag von m*v²/r haben.

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Liebe Kollegen, die Kundschaft ist schon gegangen. Wie wärs mit Kaffeetrinken? smile

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Systemdynamiker und Packo, es gibt hier mehrere gute Wege zum Ziel. Eure Beiträge beschäftigen sich damit, welcher der Wege eurer Meinung und Erfahrung nach der einfachste ist, oder welchen Weg ihr verwenden würdet, wenn ihr jemandem dieses Thema beibringen und erklären würdet.

Nun geht es ja hier in diesem Forum um etwas anderes. Denn die Leute, die hierherkommen, haben bereits im Unterricht etwas gelernt, und beschäftigen sich nun mit Übungsaufgaben zum Thema.

Also ist es hier meistens immer nur die zweitbeste Lösung, ihnen eine Methode vorzugeben, die sie erst neu lernen müssen. Denn sie sind ja gerade noch damit beschäftigt, den Weg zu verstehen und zu üben, den sie bisher kennengelernt haben und nun üben sollen.

Die beste Lösung ist es immer, wenn man es schafft, den Threadersteller auf dem Weg zu begleiten und zu helfen, den er selbst vorschlägt und selbst bereits gehen kann oder fast schon gehen kann. Und dazu ist es natürlich viel mehr nötig, ihn einzubinden, und viel weniger hilfreich, ihm mehr oder weniger kategorisch einen anderen, zweiten Weg vorzugeben, wenn der erste auch prima ginge.