Physik Labor Schwingungen an der Rheinische Fachhochschule | Karteikarten & Zusammenfassungen

Lernmaterialien für Physik Labor Schwingungen an der Rheinische Fachhochschule

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Welchen Einfluss auf die Ruhelage (statischer Fall) und die Periodendauer(dynamischer Fall) hätte dieselbe Versuchsdurchführung auf dem Mond

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Die Schwingungsdauer bzw. Kreisfrequenz w ist nur von der Federkonstante c undvon der Massem abhängig. Da auf dem Mond die Anziehungskraft geringer ist alsauf der Erde, wird sich diestatische Auslenkung der Feder verringern, m und c sindkonstantBei einer Federschwingung ändert sich nur die Ruhelage, um die dieMasseschwingt. Die Periodendauerhängt nur von der Federkonstante und der Masse ab,die auf Mond und Erde gleichsind. Die Periodendauer wird sich nicht ändern.

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Darf die Feder bei der Schwingung genauso stark belastet werden, wie im statischenFall

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Nur wenn sich die Feder während dem Versuch durch die Nulllage bewegt (elastischer Bereich)

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Welche Kräfte sind bei diesem Versuch im Gleichgewicht?  

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Um Kräfte ins Gleichgewicht zu bringen braucht man eine gleichgroße Gegenkraft (aktio=reaktio). Bei unserem Versuch ist die Gewichtskraft FG mit der Federkraft FF im Gleichgewicht  FF=FG  

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Ist das Hooksche Gesetz unbegrenzt gültig?  

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Nein ist es nicht, es ist nur im elastischen Bereich von Materialien gültig. Bei Stoffen mit linearer Elastizität, sind geringe Formänderungen proportional zu den äußeren Kräften und den damit verbundenen inneren Kräften möglich.

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Unter welchen Bedingungen kann das Fadenpendel als Mathematisches Pendel betrachtet werden?

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Als Voraussetzung für die Bezeichnung als mathematisches Pendel muss das Gewicht des Fadens vernachlässigt werden und die Bewegung einer Kugel bei konstantem Abstand l von der Aufhängung zum Massepunkt gegeben sein.  

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Was versteht man unter einer harmonischen Schwingung?  

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Um als harmonische Schwingung bezeichnet zu werden, muss eine Schwingung mindestens eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllen. 



1.    Die Bewegung des schwingenden Körpers gleicht der einer Kreisbewegung, sodass eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben werden kann. 



2.    Die rücktreibende Kraft des schwingenden Körpers ist entgegengesetzt gerichtet und vom Betrag gesehen proportional zur Auslenkung aus der Ruhelage 


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Was ist ein Physikalisches Pendel?

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Der Unterschied von einem physikalischen zu einem mathematischen Pendel liegt darin, dass bei dem physikalischen Pendel auch die Form und Größe des Körpers berücksichtigt wird. Durch die Berücksichtigung entspricht das physikalische Pendel eher einem realen Pendel.  

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Ist die Erdbeschleunigung auf der Erde überall gleich groß?

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Die Erdbeschleunigung ist nicht überall gleich, da es sich bei der Erde nicht um eine perfekte Kugel handelt. Durch diese Einflussfaktoren, wie zum Beispiel Höhenprofil, Erdabplattung und Zentrifugalkraft, kann der Wert der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s², nach dem Komma ein wenig abweichen. An den Polen beträgt der Wert der Erdbeschleunigung beispielhaft 9,832 m/s² und am Äquator ca. 9,780 m/s².

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Welche Reibungsarten führen zum Abklingen der Amplituden?

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Bei unserem Versuch wird das Abklingen der Amplitude durch mehrere Reibungsarten beeinflusst. Die größte Reibung in unserem Fall betrifft den Stift, der für die Zeichnung der Amplitude zuständig ist. Da dieser nicht exakt in die dafür vorgesehene Öffnung in dem Stabpendel passt und nach unten rutscht, wird die Reibung zwischen Stift und Papier geringfügig immer verändert. Außerdem besteht ein Luftwiderstand, den das Pendel zu bewältigen hat, wobei dieser deutlich geringer zur Beeinflussung beiträgt, also der Reibungswiderstand des Stiftes.

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Warum ist der gesamte Verlauf des Graphen nicht linear?  

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Durch die abklingende Auslenkung des Pendels während der Schwingung nach einer gewissen Zeit t kommt es dazu, dass die Schwingung einer Exponentialfunktion gleicht. Die Reibungskraft ist dabei proportional zur Geschwindigkeit des Pendels.

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Von welchen Größen hängt die Periodendauer 𝑇 der hier behandelten Torsionsfeder ab?

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Die Periodendauer 𝑇 hängt von den Größen des Direktionsmoments sowie von dem des Trägheitsmoments ab.

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Was für eine physikalische Größe stellt das Torsionsmodul 𝐺 dar?

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Der Torsionsmodul G, auch Schubmodul genannt, ist eine Materialkonstante und gibt Auskunft über die elastische lineare Verformung eines Bauteils, infolge einer Scherkraft oder Schubspannung. Es wird ebenfalls mit der Einheit N/m² angegeben. Die dabei am Bauteil auftretenden Spannungen sind die Scher- und Torsionsspannung. Sowohl die Zug-, als auch die Druckspannung wirken senkrecht auf ein Bauteil. Wobei bei der Druckspannung das Bauteil von oben und unten zusammengedrückt wird, während es bei der Zugspannung auseinandergezogen wird. Eine Biegung hingegen kommt dann Zustande, wenn mindestens eine der beiden Enden eines Bauteiles gekrümmt wird. Dabei treten immer Druck- und Biegespannungen im Bauteil auf. Bei der Torsionsspannung hingegen, wird das Bauteil, meistens kreisförmig, an seinen Enden befestigt und anschließend wie eine Schraube gedreht. Die Scherspannung erfolgt durch die Belastung mit zwei äußeren Kräften, welche senkrecht zur Längsachse des Teils wirken. Oftmals wird der Werkstoff beim Abscheren mit weiteren Spannungen belastet, was für die Berechnung aber vernachlässigt werden kann, da diese Beeinflussung nur minimale Abweichungen erzeugt.

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Q:

Welchen Einfluss auf die Ruhelage (statischer Fall) und die Periodendauer(dynamischer Fall) hätte dieselbe Versuchsdurchführung auf dem Mond

A:

Die Schwingungsdauer bzw. Kreisfrequenz w ist nur von der Federkonstante c undvon der Massem abhängig. Da auf dem Mond die Anziehungskraft geringer ist alsauf der Erde, wird sich diestatische Auslenkung der Feder verringern, m und c sindkonstantBei einer Federschwingung ändert sich nur die Ruhelage, um die dieMasseschwingt. Die Periodendauerhängt nur von der Federkonstante und der Masse ab,die auf Mond und Erde gleichsind. Die Periodendauer wird sich nicht ändern.

Q:

Darf die Feder bei der Schwingung genauso stark belastet werden, wie im statischenFall

A:

Nur wenn sich die Feder während dem Versuch durch die Nulllage bewegt (elastischer Bereich)

Q:

Welche Kräfte sind bei diesem Versuch im Gleichgewicht?  

A:

Um Kräfte ins Gleichgewicht zu bringen braucht man eine gleichgroße Gegenkraft (aktio=reaktio). Bei unserem Versuch ist die Gewichtskraft FG mit der Federkraft FF im Gleichgewicht  FF=FG  

Q:

Ist das Hooksche Gesetz unbegrenzt gültig?  

A:

Nein ist es nicht, es ist nur im elastischen Bereich von Materialien gültig. Bei Stoffen mit linearer Elastizität, sind geringe Formänderungen proportional zu den äußeren Kräften und den damit verbundenen inneren Kräften möglich.

Q:

Unter welchen Bedingungen kann das Fadenpendel als Mathematisches Pendel betrachtet werden?

A:

Als Voraussetzung für die Bezeichnung als mathematisches Pendel muss das Gewicht des Fadens vernachlässigt werden und die Bewegung einer Kugel bei konstantem Abstand l von der Aufhängung zum Massepunkt gegeben sein.  

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Q:

Was versteht man unter einer harmonischen Schwingung?  

A:


Um als harmonische Schwingung bezeichnet zu werden, muss eine Schwingung mindestens eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllen. 



1.    Die Bewegung des schwingenden Körpers gleicht der einer Kreisbewegung, sodass eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben werden kann. 



2.    Die rücktreibende Kraft des schwingenden Körpers ist entgegengesetzt gerichtet und vom Betrag gesehen proportional zur Auslenkung aus der Ruhelage 


Q:

Was ist ein Physikalisches Pendel?

A:

Der Unterschied von einem physikalischen zu einem mathematischen Pendel liegt darin, dass bei dem physikalischen Pendel auch die Form und Größe des Körpers berücksichtigt wird. Durch die Berücksichtigung entspricht das physikalische Pendel eher einem realen Pendel.  

Q:

Ist die Erdbeschleunigung auf der Erde überall gleich groß?

A:

Die Erdbeschleunigung ist nicht überall gleich, da es sich bei der Erde nicht um eine perfekte Kugel handelt. Durch diese Einflussfaktoren, wie zum Beispiel Höhenprofil, Erdabplattung und Zentrifugalkraft, kann der Wert der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s², nach dem Komma ein wenig abweichen. An den Polen beträgt der Wert der Erdbeschleunigung beispielhaft 9,832 m/s² und am Äquator ca. 9,780 m/s².

Q:

Welche Reibungsarten führen zum Abklingen der Amplituden?

A:

Bei unserem Versuch wird das Abklingen der Amplitude durch mehrere Reibungsarten beeinflusst. Die größte Reibung in unserem Fall betrifft den Stift, der für die Zeichnung der Amplitude zuständig ist. Da dieser nicht exakt in die dafür vorgesehene Öffnung in dem Stabpendel passt und nach unten rutscht, wird die Reibung zwischen Stift und Papier geringfügig immer verändert. Außerdem besteht ein Luftwiderstand, den das Pendel zu bewältigen hat, wobei dieser deutlich geringer zur Beeinflussung beiträgt, also der Reibungswiderstand des Stiftes.

Q:

Warum ist der gesamte Verlauf des Graphen nicht linear?  

A:

Durch die abklingende Auslenkung des Pendels während der Schwingung nach einer gewissen Zeit t kommt es dazu, dass die Schwingung einer Exponentialfunktion gleicht. Die Reibungskraft ist dabei proportional zur Geschwindigkeit des Pendels.

Q:

Von welchen Größen hängt die Periodendauer 𝑇 der hier behandelten Torsionsfeder ab?

A:

Die Periodendauer 𝑇 hängt von den Größen des Direktionsmoments sowie von dem des Trägheitsmoments ab.

Q:

Was für eine physikalische Größe stellt das Torsionsmodul 𝐺 dar?

A:

Der Torsionsmodul G, auch Schubmodul genannt, ist eine Materialkonstante und gibt Auskunft über die elastische lineare Verformung eines Bauteils, infolge einer Scherkraft oder Schubspannung. Es wird ebenfalls mit der Einheit N/m² angegeben. Die dabei am Bauteil auftretenden Spannungen sind die Scher- und Torsionsspannung. Sowohl die Zug-, als auch die Druckspannung wirken senkrecht auf ein Bauteil. Wobei bei der Druckspannung das Bauteil von oben und unten zusammengedrückt wird, während es bei der Zugspannung auseinandergezogen wird. Eine Biegung hingegen kommt dann Zustande, wenn mindestens eine der beiden Enden eines Bauteiles gekrümmt wird. Dabei treten immer Druck- und Biegespannungen im Bauteil auf. Bei der Torsionsspannung hingegen, wird das Bauteil, meistens kreisförmig, an seinen Enden befestigt und anschließend wie eine Schraube gedreht. Die Scherspannung erfolgt durch die Belastung mit zwei äußeren Kräften, welche senkrecht zur Längsachse des Teils wirken. Oftmals wird der Werkstoff beim Abscheren mit weiteren Spannungen belastet, was für die Berechnung aber vernachlässigt werden kann, da diese Beeinflussung nur minimale Abweichungen erzeugt.

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