Systeme der Physik

Woran lässt sich erkennen, ob ein Drehimpulsstrom durch einen Festkörper / Sytem fließt?

Betrachten Sie die folgende Situation. Eine Person sitzt in Ruhe mit einem rotierenden Schwungrad (Drehimpuls des Rades \(L_R(0)=(0,0,L_R)^T\) ) auf einem Drehstuhl. Der Für den Anfangsdrehimpuls der Person gilt \(L_P(0)=0\). Nun beginnt die Person das Schwungrad in  die Horizontale zu kippen. Zur Zeit \(t=t_1\) rotiert das Schwungrad um die horizontal ausgerichtete Achse.

a) Welchen Drehimpuls \(L_P(t_1)\) hat die Person zur Zeit \(t_1\)?

Anschließend schwenkt die Person die Achse des Rades solange bis die Achse vertikal nach unten weist.

b) Welchen Drehimpuls \(L_P(t_2)\) hat die Person zur Zeit \(t_2\)?

Hinweis: Beachten Sie das der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße ist, dass also für den Gesamtdrehimpuls \(L_{Ges}(t)\) für jeden Zeitpunkt t gelten muss:
\(L_{Ges}(t)=L_P(t)+L_R(t)\)

Gegeben sei ein Schwungrad, dass in der Mitte einer langen Welle montiert sei. Das Schwungrad werde am linken Ende der Welle durch einen E-Motor angetrieben. Am rechten Ende der Welle befinde sich eine Bremse, die die Rotation der Welle konstant abbremse. Nach einer Anlaufphase stellt sich ein Fließgleichgewicht ein, so dass das Schwungrad mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (\(\varphi\) = const) rotiere.

Zeichnen Sie sowohl den Drehimpulsstrom \(I_L\) als auch den Energiestrom \(I_E\) ein.

Gegeben sind 2 baugleiche Schwungräder, von denen zu Beginn (t = 0) das linke Schwungrad \(S_2\) ruhe (\(\omega_2\) = 0) und das rechte Schwungrad \(S_1\) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit \(\omega_1\) rotiere. Beide Schwungräder verfügen über eine Reibscheibe.

Anschließend bewege die Person P das Schwungrad \(S_1\) langsam horizontal nach links, so dass sich die beiden Reibscheiben von \(S_1\) und \(S_2\) berühren.
a) Rotiert das Schwungrad \(S_1\) mathematisch positiv oder negativ?

b) In welche Richtung zeigt der Drehimpulsvektor L1 von \(S_1\)?
Zeichnen Sie L1 in die Abbildung ein.

c) Was passiert mit dem Drehimpuls L1 von \(S_1\), wenn sich die Reibscheiben berühren.
d) Mit welchen Winkelgeschwindigkeiten \(\omega_1\)/ \(\omega_2\)werden die beiden Schwungräder \(S_1\)/ \(S_2\) am Ende des Vorganges rotieren, also nach dem sich beide Reibscheiben berühren.

Gegeben sind 2 baugleiche Schwungräder, die auf einer gemeinsamen, gelagerten Welle mit entgegengesetztem Drehsinn rotieren.

a) Bestimmen Sie die beiden Drehimpulsvektoren L1 und L2.

b) Wie groß ist der Gesamdrehimpuls LS des aus den beiden rotierenden Schwungrädern zusammengesetzten Systems S?

Gegeben sei eine vertikal ausgerichtete Welle (homogener Vollzylinder) , deren unteres Ende fixiert ist und deren oberes Ende um den Winkel \(\varphi\) tordiert ist.

a) Woran lässt sich erkennen, dass durch Welle ein Drehimpulsstrom IL fließt, obwohl die Welle nicht rotiert? Begründen Sie Ihre Antwort ausführlich.

b) Wovon hängt die Stärke des Drehimpulsstromes IL hauptsächlich ab? Geben Sie die Gleichung für IL für diesen Fall an.

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Kugellager, dessen rotierende Welle parallel zur y – Achse orientiert ist. Lager dienen ja bekanntlich der Drehimpulsisolation, verhindern also das Abfließen von Drehimpuls.

a) Rotiert die Welle mathematisch positiv oder mathematisch negativ ? Begründen Sie Ihre Antwort unter Verwendung der Rechte – Hand – Regel.

b) Welche Drehimpulssorte Lx, Ly , Lz wird durch das Lager blockiert, kann also nicht abfließen?

c) Welche Drehimpulssorten Lx, Ly , Lz können das Lager ungehindert passieren?

Was fließt durch eine nicht rotierende Welle, die nicht verdrillt ist? Kreuzen die richtigen Antworten an.

Was fließt durch eine nicht rotierende Welle, die tordiert ist? Kreuzen die richtigen Antworten an.

Was fließt durch eine rotierende Welle, die tordiert ist? Kreuzen die richtigen Antworten an.

Was fließt durch eine rotierende Welle, die nicht tordiert ist? Kreuzen die richtigen Antworten an.

Gegeben sei eine mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) rotierende, tordierte Welle, durch die ein konstanter Drehimpulsstrom \(I_L\) fließe. Wie lautet der Ausdruck für den Energiestrom \(I_E\), der dann durch die Welle strömt?

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Stativ mit einer Querstange, an der mittels eines Seiles ein Körper (Masse m) befestigt ist. Das Seil ist daher auf Zug belastet. Das Gravitationsfeld der Erde wirkt im Körper als Impulsquelle. Im Kraftbild greift die Gewichtskraft FG im Schwerpunkt S des Körpers an.

Ein quer zu seiner Bezugsrichtung fließender Impulsstrom induziert ein Drehmoment innerhalb eines Systems und fungiert somit als Drehimpulsquelle. Das System besteht hier aus dem Körper K mit dem Seil, der Querstange und dem Stativ.

a) Welche Impulsart (px , py , pz) fließt hier eigentlich?
b) Zeichnen Sie den Impulsstrom durch das System in die Abbildung ein. Handelt es sich um einen offenen oder geschlossenen Impulsstrom? Begründen Sie Ihre Antwort.
c) Bezüglich welchen Punktes wird durch den quer fließenden Impulsstrom ein Drehmoment ( = Drehimpulsquelle ) erzeugt?
d) Wie lautet der Ausdruck für das angreifende Drehmoment im Kraftbild?

Der Motor läuft an, erhöht also seine Winkelgeschwindigkeit von \(\omega_0=0\) auf den konstanten Wert \(\omega=\omega_1\).

a) Von wo nach wo fließt der Drehimpuls? Zeichnen Sie den Drehimpulsstrom IL in die Abbildung ein.
b) Mit welcher Winkelgeschwindigkeit rotiert das Schwungrad?
c) Um welchen Betrag \(\Delta E\) hat die Energie des Schwungsrades (Massenträgheitsmoment J) nach Ende der Anlaufphase zugenommen?

Der Motor läuft mit konstanter Winkelgeschwindigkeit \(\omega\).
a) Von wo nach wo fließt der Drehimpuls? Zeichnen Sie den Drehimpulsstrom IL in die Abbildung ein.
b) Von wo nach wo fließt die Energie? Zeichnen Sie den Energiestrom IE in die Abbildung ein.

Nennen Sie wenigstens 3 Technische Anwendungsgebiete und die jeweiligen physikalische Teilgebiete, die ihnen als Grundlage dienen.

Zählen Sie die Teilgebiete der klassischen Physik auf.

Zählen Sie die Teilgebiete der modernen Physik auf.

Der griechische Philosoph Heraklit hat als Metapher für die Prozessualität der Natur den Spruch "Alles fließt / Alles ist im Fluss" kreiiert.

Wie lautet eine Merkregel, mit der man die Prozesshaftigkeit der Natur zusammenfassen kann?

Nennen Beispiele für Prozesse in der Physik, die das Konzept des Fließens veranschaulichen.

Nenne Beispiele für Prozesse in der Physik, die das Erzeugen bzw. Vernichten von physikalischen Größen demonstrieren.

Nenne Beispiele für Prozesse in der Physik, die das Speichern von physikalischen Größen in Körpern oder Raumbereichen beschreiben.

Was bildet den Antrieb für die folgenden Prozesse:
a) Fließen von Wasser
b) Luftströmungen
c) Fließen von Wärme
d) Transport von Elektrizität

Nennen Sie die 7 Basisgrößen des Internationalen Einheitensystems (SI-System) mit ihrer Bezeichnung, ihrer Einheit und ihrer Dimension.

Die nachfolgende Abbildung soll die Ursachen für beobachtbare Veränderungen in der Natur auf den Transport, die Erzeugung / Vernichtung und die Speicherung von physikalischen Größen zurückführen.

Ergänzen Sie in der Abbildung an den entsprechenden Stellen die jeweiligen Größen, die transportiert, erzeugt / vernichtet und gespeichert werden.

Für welche Zehnerpotenz \(10^{x}\) stehen die folgenden Vorsilben?
Beispiel: Atto = \(10^{-18}\)

• Kilo
• Giga
• Nano
• Mega
• Milli
• Mikro
• Tera
• Deka
• Centi
• Peta

Nennen Sie die sieben wichtigsten physikalischen Basisgrößen

Was kennzeichnet eine physikalische Erhaltungsgröße?

Worauf bezieht sich der Wert einer mengenartigen Größe und worauf der Wert einer intensiven Größe ?