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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-1 2. Arbeit und Energie Die Ermittlung der Bewegungsgrößen aus der Bewe- gungsgleichung erfordert die Berechnung von mehr oder weniger komplizierten Integralen. Für viele Fälle kann ein Teil der Integrationen ein für alle- mal vorab durchgeführt werden. Diese Integrationen führen auf die Begriffe Arbeit und Energie.

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-1

2. Arbeit und Energie

● Die Ermittlung der Bewegungsgrößen aus der Bewe-gungsgleichung erfordert die Berechnung von mehr oder weniger komplizierten Integralen.

● Für viele Fälle kann ein Teil der Integrationen ein für alle-mal vorab durchgeführt werden.

● Diese Integrationen führen auf die Begriffe Arbeit und Energie.

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-2

2. Arbeit und Energie

2.1 Arbeitssatz

2.2 Potenzielle Energie

2.3 Energieerhaltungssatz

2.4 Massenpunktsysteme

2.5 Leistung und Wirkungsgrad

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-3

2.1 Arbeitssatz

2.1.1 Herleitung

2.1.2 Berechnung der Arbeit

2.1.3 Beispiele

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-4

2.1.1 Herleitung

● Integration der Bewegungs-gleichung:

– Betrachtet wird ein Massen-punkt, der sich entlang der Bahn C

AB vom Punkt A zum

Punkt B bewegt.

– Dabei wirkt auf ihn die resul-tierende äußere Kraft F(r), die im Allgemeinen vom Ort abhängt.

B

A

PF

dr

an

at

CAB

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-5

2.1.1 Herleitung

– In jedem Punkt der Bahn gilt das Newtonsche Grundgesetz:

– Das Skalarprodukt mit dem Wegelement dr lautet

– Die Beschleunigung hat eine Tangentialkomponente at und

eine Normalkomponente an :

– Da das Wegelement dr senkrecht auf der Normalkompo-nente a

n steht, gilt:

m a=F

m a⋅d r=F⋅d r

a=atan

an⋅d r=0

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-6

2.1.1 Herleitung

– Mit der skalaren Bahnbeschleunigung at und dem skalaren

Wegelement ds folgt:

– Wegen

gilt:

– Damit ist gezeigt:

– Integration ergibt:

m a⋅d r=m at⋅d r=mat ds

at=dvdt

=dvdsdsdt

=dvdsv

m at ds=mvdvdsds=m vdv

m a⋅d r=m vdv=F⋅d r

m∫vA

vB

v dv=∫C AB

F r ⋅d r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-7

2.1.1 Herleitung

● Kinetische Energie:

– Das Integral auf der linken Seite berechnet sich zu

– Die Größe

wird als kinetische Energie des Massenpunktes bezeichnet.

– Damit gilt:

m∫vA

vB

v dv= 12m vB2−vA2

EK=12m v2

m∫vA

vB

v dv=EBK−E A

K

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-8

2.1.1 Herleitung

● Arbeit der äußeren Kräfte:

– Das Integral auf der rechten Seite wird als Arbeit der äuße-ren Kräfte bezeichnet:

– WAB ist die Arbeit, die die äußere Kraft F verrichtet, wenn der

Massenpunkt entlang der Bahn CAB von Punkt A an den

Punkt B verschoben wird.

– Der Wert der Arbeit hängt im Allgemeinen nicht nur vom An-fangs- und Endpunkt, sondern auch von der Bahn ab.

W AB=∫C AB

F r ⋅d r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-9

2.1.1 Herleitung

● Arbeitssatz:

– Die Differenz zwischen der kinetischen Energie EK

B des

Massenpunktes im Punkt B und der kinetischen Energie EK

A

im Punkt A ist gleich der von den angreifenden Kräften auf dem Weg von Punkt A nach Punkt B verrichteten Arbeit W

AB.

E BK−E A

K=W AB

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-10

2.1.1 Herleitung

● Einheiten:

– Die Einheit der Arbeit ist

– Die kinetische Energie hat die gleiche Einheit wie die Arbeit.

1Nm=1kg m2

s2=1 J (Joule)

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-11

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Kraft konstanter Größe parallel zum Weg:

– Mit und gilt:

● Kraft konstanter Größe schräg zum Weg:

– Mit und gilt:

F=F e t d r=et ds

W AB=∫C AB

F⋅d r=∫sA

sB

F e t⋅e t ds=F sB−sA F

et

P

A

B

sA

sB

F

et

P

A

B

sA

sBφd r=et ds F⋅et=F cos

W AB=∫C AB

F⋅d r=∫sA

sB

F⋅et ds=F cos sB−s A

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-12

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Kraft veränderlicher Größe parallel zum Weg:

– Mit undgilt:

– Wird die Kraft F über dem Weg s aufgetragen, so entspricht die Arbeit der Fläche unter der Kurve.

F s=F s et d r=et ds

W AB=∫C AB

F⋅d r=∫sA

sB

F se t⋅e t ds

=∫sA

sB

F sds

F(s)

et

P

A

B

sA

sB

F

s

WAB

sA

sB

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-13

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Reibungsarbeit:

A BN

G

R

CAB

x

yz

– Ein Massenpunkt der Masse m bewegt sich auf einer rauen Oberfläche von A nach B.

– Dabei wirkt auf ihn die Reibungskraft

parallel zum Weg.

– Sie verrichtet die Arbeit

R=N=m g

W ABR=−mg sB−sA =−m gL AB

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-14

2.1.2 Berechnung der Arbeit

– Die Reibungsarbeit ist proportional zur Länge LAB des zu-

rückgelegten Wegs.

– Sie hängt vom Weg ab, auf dem der Massenpunkt von A nach B gebracht wird.

AB

C1

x

yz

C2

W AB1R

≠W AB2R

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-15

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Federarbeit:

– Ein Massenpunkt, der von einer Feder gehalten wird, be-wegt sich von der Stelle s

A an die Stelle s

B.

– Dabei greift an ihm die Federkraft an.

– Die Federkraft verrichtet die Arbeit

ssA

sB

FF

s0

FF s=c s−s0

W ABF=−∫

sA

sB

c s−s0 ds=−12c [ sB−s0 2−sA−s0

2 ]

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-16

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Hubarbeit:

– Ein Massenpunkt der Masse m bewegt sich ent-lang der Bahn C

AB vom

Punkt A an den Punkt B.

– Dabei wirkt auf ihn die Gewichtskraft

x

y

z

dr

GA

B

CAB

G=−mg ez

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-17

2.1.2 Berechnung der Arbeit

– Für das Streckenelement gilt:

– Damit berechnet sich die von der Gewichtskraft verrichtete Arbeit zu

– Die von der Gewichtskraft verrichtete Arbeit wird als Hubar-beit bezeichnet.

– Sie hängt nur von der Höhendifferenz ab.

d r=exdxe ydyez dz

W ABG=∫C AB

G⋅d r=∫C AB

−mg ez ⋅ex dxe ydyez dz

=−∫z A

zB

mgdz=−mg zB−z A

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-18

2.1.2 Berechnung der Arbeit

● Beispiel:

– Die Masse m wird auf der schiefen Ebene reibungs-frei vom Punkt A an den Punkt B verschoben.

– Dabei greifen an ihr die folgenden Kräfte an:

● Gewichtskraft G● Horizontalkraft H● Federkraft

sB

sA

H

αA

B m

s

z

FF=c s s0=0

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-19

2.1.2 Berechnung der Arbeit

– Zu berechnen ist die gesamte Arbeit aller Kräfte, die an der Masse angreifen.

– Zahlenwerte:● Masse m = 10kg

● Weg sA = 0,5m

● Weg sB = 2,5m

● Federkonstante c = 30N/m● Horizontalkraft H = 400N● Winkel α = 30°

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-20

2.1.2 Berechnung der Arbeit

– Kräfte an der freigeschnittenen Masse:

● Federkraft FF

● Normalkraft N● Gewichtskraft mg● Horizontalkraft H

– Horizontalkraft H :

– Normalkraft N :● Die Normalkraft N steht senkrecht auf der Bahn und verrichtet

daher keine Arbeit.

α

α

FF

H

N

mg

s

W ABH=H cos sB−s A =400N⋅cos 30 ° ⋅2m=692,8 J

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-21

2.1.2 Berechnung der Arbeit

– Federkraft FF :

– Gewichtskraft G :

– Gesamte Arbeit:

W ABG

= −mg zB−zA =−mg sin sB−sA

= −10 kg⋅9,81ms2⋅sin 30 °⋅2m=−98,1 J

W AB=W ABHW AB

FW AB

G=504,7 J

W ABF=−

12c sB2−s A2 =−15N /m 2,52m2

−0,52m2 =−90 J

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-22

2.1.3 Beispiele

● Beispiel 1: Bremsendes Fahrzeug

– Ein Fahrzeug fährt mit konstanter Geschwindig-keit v eine geneigte Stra-ße hinunter.

– Der Fahrer tritt heftig auf die Bremse, so dass das Fahrzeug mit blockierten Rädern rutscht.

– Wie weit rutscht das Fahrzeug? α

vs

– Zahlenwerte:● Fahrzeuggewicht G = 17,5kN

● Geschwindigkeit v = 6m/s

● Neigungswinkel α = 10°● Gleitreibungskoeffizient μ = 0,5

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-23

2.1.3 Beispiele

– Kräfte am freigeschnittenen Fahr-zeug:

– Von der Gewichtskraft verrichtete Arbeit:

α

G

N

R

s

90°-α

n

∑ Fn=0 : N−G cos =0

N=G cos

R=N=G cos

W ABG=G cos 90 °−s=G sin s

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-24

2.1.3 Beispiele

– Von der Reibungskraft verrichtete Arbeit:

– Kinetische Energien:

– Arbeitssatz:

– Ergebnis:

– Zahlenwert:

W ABR=−R s=−G cos s

E BK−E A

K=W AB

GW AB

R

E AK=

12Ggv2 , E B

K=0

−12Ggv2=G sin s−G cos s=G s sin −cos

s= v2

2 g1

cos−sin

s= 62m2/ s2

2⋅9,81m / s21

0,5cos 10 ° −sin 10 ° =5,76m

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-25

2.1.3 Beispiele

● Beispiel 2: Achterbahn

– Gegeben:● Masse des Wagens m● Radius R● Anfangsgeschwindig-

keit v(s=0) = v0

– Gesucht:● Geschwindigkeit v(s) ● Beschleunigung a(s)

R

R

s

A

B

φ

ψ

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-26

2.1.3 Beispiele

– Wagen freigeschnitten:● Nur die Gewichtskraft mg verrichtet Arbeit.

● Die Normalkraft N steht immer senkrecht auf der Bahn.

● Allgemein gilt:

A

φ

φ

mg

N

s

r

Führungskräfte verrichtenkeine Arbeit.

Führungskräfte verrichtenkeine Arbeit.

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-27

– Kreis um A:

φ im Bogenmaß!

2.1.3 Beispiele

– Geometrie:

R

R

s

A

B

φ

ψ

z

z(s)

z(s)

z(s)

s=R

z =R cos

z s=R cos sR

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-28

2.1.3 Beispiele

R

R

s

A

B

φ

ψ

z

z(s)

z(s)

– Kreis um B:

ψ im Bogenmaß!

s=R

2R

z =−R sin

z s=−Rsin sR−

2 =R cos sR

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-29

2.1.3 Beispiele

– Von der Gewichtskraft verrichtete Arbeit:

– Kinetische Energien:

– Arbeitssatz:

W Gs=−mg z s −z 0 =−mgR cos sR −1

E0K=

12m v0

2 , EK s=12m v2

s

EK s−E0K=W G

s

12m v2 s−v0

2 =−mgR cos sR −1 v s =v0

22 gR 1−cos sR

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-30

2.1.3 Beispiele

– Beschleunigung:● Bahnbeschleunigung:

● Bei einer Kreisbewegung gilt für die Normalbeschleunigung:

at s=vdvds

=12dv2

ds=gsin sR

an s=v2

R=v0

2

R2 g 1−cos sR

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-31

2.2 Potenzielle Energie

● Gewichtskraft:

– Die Arbeit der Gewichts-kraft ist unabhängig von der Bahnkurve. Sie hängt nur vom Anfangs- und Endpunkt der Bahn ab:

W ABG=−G zB−z A

x

y

z

dr

GA

B

CAB

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-32

2.2 Potenzielle Energie

● Federkraft:

– Die Arbeit, die die Federkraft verrichtet, hängt nur von der Dehnung oder Stauchung der Feder ab, unabhängig davon, wie die Kraft aufgebracht wurde.

– Für s0 = 0 gilt:

W ABF=−

12c sB2−s A2

F

sA

sB

r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-33

2.2 Potenzielle Energie

● Reibungskraft:

– Die Arbeit, die die Reibungs-kraft verrichtet, hängt von der Bahnkurve ab:

∫C 1

R⋅d r=−G L1

∫C2

R⋅d r=−G L2A

B

C1

x

yz

C2

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-34

2.2 Potenzielle Energie

● Konservative Kräfte:

– Eine Kraft heißt konservativ, wenn die Arbeit, die sie an ei-nem Massenpunkt verrichtet, nur vom Anfangs- und End-punkt der Bahn abhängt, die der Massenpunkt beschreibt, aber unabhängig von der Bahnkurve ist.

– Die Gewichtskraft und die Federkraft sind konservative Kräfte.

C1

C2

A

B

W AB=∫C1

F⋅d r=∫C 2

F⋅d r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-35

2.2 Potenzielle Energie

● Dissipative Kräfte:

– Eine Kraft heißt dissipativ, wenn die Arbeit, die sie an einem Massenpunkt verrichtet, nicht nur vom Anfangs- und End-punkt der Bahn abhängt, die der Massenpunkt beschreibt, sondern auch von der Bahnkurve.

– Reibungskräfte sind dissipative Kräfte.

C1

C2

A

B

∫C 1

F⋅d r≠∫C2

F⋅d r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-36

2.2 Potenzielle Energie

● Potenzielle Energie:

– Die potenzielle Energie einer konservativen Kraft im Punkt A ist die Arbeit, die die konservative Kraft an dem Massen-punkt verrichtet, wenn er vom Punkt A in den Bezugspunkt R verschoben wird.

– Die potenzielle Energie hängt vom gewählten Bezugspunkt ab.

A

R C1

C2E P A ,R =∫

C1

F⋅d r=∫C2

F⋅d r=W AR

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-37

2.2 Potenzielle Energie

– Wird der Massenpunkt vom Ort A an den Ort B verschoben, so lässt sich die von einer konservativen Kraft verrichtete Arbeit W

AB aus der Differenz der potenziellen Energien be-

rechnen:

R

A

B

CAB

CAR

CRB

R'

CAR'

CRB'

W AB=∫C AB

F⋅d r=∫C AR

F⋅d r∫C RB

F⋅d r

=E P A ,R−E P B , R=∫C AR'

F⋅d r∫C R ' B

F⋅d r

=E P A ,R ' −E P B , R ' =E A

P−E B

P

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-38

2.2 Potenzielle Energie

● Potenzielle Energie der Gewichtskraft:

– Für die potenzielle Energie der Gewichtskraft gilt:

– Die potenzielle Energie der Gewichtskraft hängt nur von der Höhe des Massenpunktes ab. Sie wird daher auch als po-tenzielle Energie der Lage oder Lageenergie bezeichnet.

– Die Lageenergie ist negativ, wenn sich der Massenpunkt unterhalb des Bezugspunktes befindet.

– Wird als Bezugspunkt der Koordinatenursprung gewählt, so gilt:

EG A ,R=W ARG=−m g zR−z A =mg z A−zR

EG A ,O=mg z A

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2.2 Potenzielle Energie

– Alle Körper gleicher Masse, die sich in der gleichen Höhe befinden, haben die gleiche Lageenergie.

– Daher sind alle Bezugspunkte, die auf der gleichen Höhe liegen, gleichwertig. Sie definieren ein Nullniveau.

– In der Nähe der Erdoberfläche sind die Nullniveaus Ebenen parallel zur Erdoberfläche.

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2.2 Potenzielle Energie

● Potenzielle Energie der Federkraft:

– Als Bezugspunkt für die potenzielle Energie der Federkraft wird der Zustand der entspannten Feder gewählt.

– Dann gilt für die potenzielle Energie der Federkraft:

– Die potenzielle Energie derFederkraft ist immer positiv.

– Sie wird als Federenergiebezeichnet.

E F s=12c s2

F

r

s

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2.3 Energieerhaltungssatz

● Arbeitssatz:

– Der Arbeitssatz lautet:

– Die Arbeit WAB setzt sich zusammen

● aus der Arbeit der konservativen Kräfte, und● der Arbeit der dissipativen Kräfte.

– Einsetzen in den Arbeitssatz ergibt:

E BK−E A

K=W AB

W ABK =E A

P−E BP

W ABD

E BK−E A

K=E A

P−E B

PW AB

D

E BKE BP −E AKE A

P =W ABD

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2.3 Energieerhaltungssatz

– Die Änderung der Summe aus kinetischer und potenzieller Energie eines Massenpunktes ist gleich der Arbeit der an ihm angreifenden dissipativen Kräfte.

– Die Arbeit der dissipativen Kräfte ist immer negativ.

● Energieerhaltungssatz:

– Wenn an einem Massenpunkt nur konservative Kräfte an-greifen, dann bleibt die Summe der kinetischen und der po-tenziellen Energie konstant:

E BKE B

P=E A

KE A

P

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2.3 Energieerhaltungssatz

● Beispiel 1: Bremsendes Fahrzeug

– Ein Fahrzeug fährt mit konstanter Geschwindigkeit v eine geneigte Straße hinunter.

– Der Fahrer tritt heftig auf die Bremse, so dass das Fahr-zeug mit blockierten Rädern rutscht.

– Wie weit rutscht das Fahrzeug?

α

vs

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2.3 Energieerhaltungssatz

– Reibungsarbeit:● Reibungskraft:

● Reibungsarbeit:

– Bezugspunkt für die Lageenergie:● Ort bei Bremsbeginn

α

G

N

R

s

n

∑ Fn=0 : N−G cos =0

N=G cos

R=N=G cos

W ABR=−R s=−G cos s

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2.3 Energieerhaltungssatz

– Punkt A: Bremsbeginn● Kinetische Energie:

● Lageenergie:

– Arbeitssatz:

E AK=

12Ggv2

E AG=0

EBK=0

EBG=−G s sin

– Punkt B: Bremsende● Kinetische Energie:

● Lageenergie:

E BKE BG −E AKE AG =W AB

R

−G s sin −12Ggv2=−G s cos

s= v2

2 g1

cos −sin s cos −sin =

12v2

g

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2.3 Energieerhaltungssatz

● Beispiel 2: Achterbahn

– Gegeben:● Masse des Wagens m● Radius R● Anfangsgeschwindig-

keit v(s=0) = v0

– Gesucht:● Geschwindigkeit v(s) 

R

R

s

A

B

φ

ψ

z

z(s)

z(s)

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2.3 Energieerhaltungssatz

– Nur die Gewichtskraft verrichtet Arbeit.

– Da die Gewichtskraft eine konservative Kraft ist, gilt der Energieerhaltungssatz.

– Als Bezugspunkt für die Lageenergie wird Punkt A gewählt.

– Stelle s = 0:● Kinetische Energie:

● Lageenergie:

E0K=

12mv0

2

E0G=mgR

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2.3 Energieerhaltungssatz

– Beliebige Stelle s:● Kinetische Energie:

● Lageenergie:

– Energieerhaltungssatz:

EK s=12mv2

s

EG s=m gz s=mgR cos sR EK sEG s=E 0

KE0

G

12mv2 sm gR cos sR =

12mv0

2mgR

v s=v022 g R 1−cos sR

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2.4 Massenpunktsysteme

● Arbeitssatz für einen Massenpunkt:

– Für jeden einzelnen Massenpunkt mit Index i gilt der Ar-beitssatz

– Für die kinetische Energie des Massenpunktes gilt:

– WABi ist die von den am Massenpunkt angreifenden äußeren

und inneren Kräften verrichtete Arbeit:

E BiK−E Ai

K =W ABi

E AiK=

12mi v Ai

2 , E BiK=

12m i vBi

2

W ABi=W ABiX W ABi

I

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2.4 Massenpunktsysteme

– Für die Arbeit der äußeren Kräfte gilt:

– Für die Arbeit der inneren Kräfte gilt:

– Die Summe erstreckt sich über alle inneren Kräfte Fij, die

am Massenpunkt mit Index i angreifen.

W ABi I

=∫C i∑j F ij ⋅d r

W ABIX

=∫C i

F i⋅d r

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2.4 Massenpunktsysteme

● Arbeitssatz für das Massenpunktsystem:

– Summation über die einzelnen Massenpunkte ergibt:

– Kinetische Energie des Massenpunktsystems:

– Arbeit der äußeren Kräfte:

– Arbeit der inneren Kräfte:

∑i

E BiK−E AiK =∑

iW ABi

X ∑

iW ABi

I

EK=∑iE iK=∑

i

12mi v i

2

W ABX =∑

iW ABi

X

W AB I =∑

iW ABi

I =∑

i∫C i∑j F ij ⋅d r

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-52

2.4 Massenpunktsysteme

– Damit lautet der Arbeitssatz für das Massenpunktsystem:

– Der Weg Ci , den der Massenpunkt i beschreibt, stimmt im

Allgemeinen nicht mit dem Weg Cj überein, den der Mas-

senpunkt j beschreibt.

– Daher ist trotz Fij + F

ji = 0 die von den inneren Kräften ver-

richtete Arbeit im Allgemeinen nicht null.

E BK−E A

K=W ABX W AB

I

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-53

2.4 Massenpunktsysteme

● Starre Bindung:

– Liegt zwischen zwei Massen-punkten eine starre Bindung vor, so beschreiben sie bei ei-ner Translation den gleichen Weg.

– Für die Arbeit der inneren Kräf-te folgt daraus:

m1

m2

F12

F21

C

C

A

Bdr

dr

W AB I =∫

CF12F21 ⋅d r=0

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-54

2.4 Massenpunktsysteme

– Bei einer Rotation steht das Wegele-ment dr senkrecht auf der Verbin-dungslinie der beiden Massenpunkte.

– Wegen

gilt also ebenfalls:

– Ergebnis: m1

m2

F12

F21

dr2

dr1

F12⋅d r1=0, F 21⋅d r2=0

W AB I =0

Bei einem Massenpunktsystem mit starren Bindungenverrichten die inneren Kräfte keine Arbeit.

Bei einem Massenpunktsystem mit starren Bindungenverrichten die inneren Kräfte keine Arbeit.

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-55

2.4 Massenpunktsysteme

– Für Systeme mit starren Bindungen vereinfacht sich der Ar-beitssatz zu

– Wenn die äußeren Kräfte konservativ sind, dann kann die von ihnen verrichtete Arbeit aus der Differenz der potenziel-len Energien berechnet werden:

– Dann lautet der Arbeitssatz:

E BK−E A

K=W ABX

W ABX =E A

P−E B

P=∑

iE AiP −E B iP

E BKE B

P=E A

KE A

P

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-56

2.4 Massenpunktsysteme

– Dabei kann für jeden Massenpunkt ein eigenes Nullniveau gewählt werden.

● Beispiel: Flaschenzug

– Aufgabenstellung:

● Die beiden Massen m1 und m

2 sind

durch ein masseloses dehnstarres Seil verbunden, das über masselo-se Rollen läuft.

● Wie groß sind die Beschleunigun-gen, wenn das System aus der Ruhe losgelassen wird?

m1

m2

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-57

2.4 Massenpunktsysteme

– Wahl der Freiheitsgrade:

● Die Lagekoordinaten s1 und s

2 der

beiden Massen werden ab der Aus-gangslage nach unten gemessen.

– Kinematische Bindung:●

– Innere Kräfte:● Da eine starre Bindung vorliegt, ver-

richten die inneren Kräfte keine Ar-beit.

m1

m2

s1

s2

2 s1s2=0 s2=−2 s1

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-58

2.4 Massenpunktsysteme

– Äußere Kräfte:● Als äußere Kraft wirkt die Gewichtskraft. Sie ist eine konser-

vative Kraft.● Wird das Nullniveau der Lageenergie jeweils in die Ausgangs-

lage der Massen gelegt, dann gilt:

● Dabei kennzeichnet der Index A den Ausgangszustand und der Index B den ausgelenkten Zustand.

EA1G=0, EB1

G=−m1g s1 , E A2

G=0, E B2

G=−m2 g s2

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-59

2.4 Massenpunktsysteme

– Kinetische Energie:● Das System ist am Anfang in Ruhe. Also gilt:

● Für die kinetische Energie im ausgelenkten Zustand gilt:

– Arbeitssatz:

● Mit der kinematischen Bindung folgt daraus:

EBK=

12m1 s1

2

12m2 s2

2

12m1 s1

2

12m2 s2

2−m1g s1−m2g s2=0

EAK=0

12m1 s1

22m2 s1

2−m1g s12m2g s1=0

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-60

2.4 Massenpunktsysteme

– Geschwindigkeit:

● Für m1 > 2m

2 muss s

1 positiv sein. Die Masse m

1 bewegt sich

nach unten. Es ist das positive Vorzeichen der Wurzel zu nehmen.

● Für m1 < 2m

2 muss s

1 negativ sein. Die Masse m

1 bewegt sich

nach oben. Es ist das negative Vorzeichen der Wurzel zu nehmen.

v1s1=s1=±2m1−2m2

m14m2

g s1

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-61

2.4 Massenpunktsysteme

– Beschleunigungen:

● Die Geschwindigkeit v1 ist als Funktion des Weges s

1 bekannt.

● Daraus berechnet sich die Beschleunigung a1 zu

● Aus der kinematischen Bindung folgt:

a1=v1

dv1

ds1=

12dds v1

2 =m1−2m2

m14m2

g

a2=−2a1=−2m1−2m2

m14m2

g

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-62

2.5 Leistung und Wirkungsgrad

● Leistung:

– Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeiteinheit:

– Die Einheit der Leistung ist

– Aus der Definition der Arbeit folgt

P= dWdt

1Js=1N m

s=1W (Watt)

P= dWdt

=F⋅d rdt

=F⋅d rdt

P=F⋅v

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-63

=PNP A

2.5 Leistung und Wirkungsgrad

● Wirkungsgrad:

– Der mechanische Wirkungsgrad η einer Maschine ist defi-niert als das Verhältnis der abgegebenen Nutzleistung P

N

zur aufgewendeten Leistung PA:

– Wegen der stets auftretenden Verluste ist η < 1.

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-64

2.5 Leistung und Wirkungsgrad

● Beispiel:

– Ein PKW fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit v von 60km/h auf ebener Straße.

– Die Motorleistung PA beträgt 30kW.

– Der Wirkungsgrad η hat einen Wert von 0,8.

– Wie groß ist die Antriebskraft F?

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Prof. Dr. Wandinger 2. Kinetik des Massenpunkts Dynamik 2.2-65

2.5 Leistung und Wirkungsgrad

– Für die Nutzleistung gilt:

– Daraus folgt:

– Zahlenwert:

PN=F v

=F vP A

P Av=F

F= 0,8⋅30⋅103Nm /s60 /3,6m / s

=1,44 kN