Stein in Brunnen, Schall zurück. Wie tief?

Hallo

Kann mir vielleicht jemand sagen, wie man diese Formel nach s auflöst: (Die Schreibweise untereinander ist nur, weil sich alles nach links verschiebt, wenn ich die ganze Formel in eine Zeile schreibe)

s = 0,5 * a * t^2

a * t * s

v

0,5 * a * s^2

v^2

t = 15 s
v = 340 m/s
a = 9,81 m/s^2

Zur Information:
Es handelt sich um einen Stein, der in einen Brunnen fällt. Wie tief ist der Brunnen, wenn man den Aufschlag nach 15 s hört. Dabei ist natürlich auch die Zeit, die der Schall nach oben braucht, zu berücksichtigen.
Nach einigem Umformen der Ausgangsformel bin ich auf obige gekommen. Aber wie gehts weiter?

Danke
Martin

Ich komm da auf ne andere Formel

T(ges)=Wurzel(2*s/g)+s/v(Schall)

Daraus folgt:

s^2/v^2-2(t/v+1/g)*s+t^2+s^2/v^2=0

da t, v, und g gegeben, kann man die Gleichng mit der Mitternachtsformel auflösen

Hab aber keinen Taschenrecher da, kann nicht prüfen ob die Formel stimmt.

Mark

Hallo Mark,

deine Formel stimmt auch. Wenn ich sie mit meinen Beispielzahlen durchrechne, geht sie auf, genauso wie meine.

t = 5,97 s
g = 9,81 m/s^2
v = 340 m/s
s = 150 m

Aber erstens hab ich noch nie von der Mitternachtsformel gehört und außerdem gehts mir eigentlich mehr darum, wie ich meine Formel nach s auflösen kann. (interessanter für mich ist der Weg, weniger das Ergebnis)

Kannst du mir da vielleicht auch weiterhelfen?

Danke

gehts mir eigentlich mehr darum, wie ich
meine Formel nach s auflösen kann.
(interessanter für mich ist der Weg,
weniger das Ergebnis)

Hi Namensvetter :smile:!

Die Bewegung des fallenden Steins ist vom Typ „gleichmäßig beschleunigt“ (mit der Beschleunigung g = 9.81 m/s^2) und wird daher beschrieben durch

(1) s = 1/2 g t1^2

Die Bewegung des Schalls, der mit konstanter Geschwindigkeit v nach oben läuft, wird beschrieben durch

(2) v = s/t2

Außerdem gilt für die Gesamtzeit T, die vom Loslassen des Steins bis zum Hören seines Aufschlags vergeht:

(3) T = t1 + t2

Die gesuchte Größe ist s. Um das System (1)…(3) nach s aufzulösen, löst Du zunächst (1) nach t1 und (2) nach t2 auf und setzt die Ergebnisse anschließend in (3) ein.

–>

T = Wurzel(2 s/g) + s/v

Subtrahiere beidseitig s/v -->

T - s/v = Wurzel(2 s/g)

Quadriere beide Seiten -->

T^2 - 2 T s/v + s^2/v^2 = 2 s/g

Subtrahiere beidseitig (2 s/g + T^2) -->

s^2/v^2 - 2 T s/v - 2 s/g = - T^2

Klammere 2 s aus -->

s^2/v^2 - 2 (T/v + 1/g) s = - T^2

Mache s^2 durch Multiplikation beider Seiten mit v^2 vorfaktorlos („Normierung“ der Gleichung):

s^2 - 2 (T + v/g) v s = - T^2 v^2

Wenn ich den Ausdruck „(T + v/g) v“ einfach mal mit c abkürze, dann haben wir da stehen

s^2 - 2 c s = - T^2 v^2

Nun wäre es klasse, wenn auf der linken Seite der Ausdruck s^2 - 2 c s + c^2 stehen würde, weil der gleich (s - c)^2 ist und sich daraus leicht die Wurzel ziehen läßt. Dafür, daß besagter vorteilhafter Ausdruck auf der linken Seite erscheint, läßt sich aber leicht sorgen - man muß einfach nur auf beiden Seiten der Gleichung c^2 addieren (daß sich die rechte Seite dadurch etwas „verkompliziert“ ist nicht weiter schlimm; wichtig ist nur, daß die linke Seite wurzelziehungsbereit wird). Dies ist ein weitverbreitetes Verfahren zum Lösen quadratischer Gleichungen. Der jeweils zu addierende Ausdruck - in diesem Fall c^2 - heißt „quadratische Ergänzung“).

s^2 - 2 c s + c^2 = c^2 - T^2 v^2

Linke Seite als Quadrat schreiben -->

(s - c)^2 = c^2 - T^2 v^2

Wurzelziehen -->

s - c = (+/-) Wurzel(c^2 - T^2 v^2)

Beidseitig c addieren -->

s = c (+/-) Wurzel(c^2 - T^2 v^2)

wobei c = (T + v/g) v.

Welches der beiden Zeichen von (+/-) zu verwerfen ist, mußt Du Dir selbst überlegen.

Übrigens: Das Verfahren mit der quadratischen Ergänzung läßt sich natürlich auch ganz allgemein auf die Gleichung

x^2 + p x + q = 0

anwenden und führt dann auf die wohlbekannte(?) Formel

x = -p/2 (+/-) Wurzel((p/2)^2 - q)

Ausgehend von der normierten Gleichung (s. o.)

s^2 - 2 (T + v/g) v s + T^2 v^2 = 0

kannst Du mit dieser Formel das Auflösen nach s ebenfalls bewerkstelligen (ob es sich dabei um die „Mitternachtsformel“ handelt, die hier jemand erwähnte, weiß ich nicht - ich habe diese Bezeichnung noch nie gehört).

Ich hoffe, ich konnte Dir weiterhelfen.

Mit freundlichem Gruß
Auch Martin

Guter Ansatz, meiner Meinung nach auch perfekt gelöst, aber:

Wenn wir schon den Schall als Grundgröße nehmen, beachten wir auch die Geschwindigkeit des Tones bei feuchter Luft? Um genau zu sein bedarf es der genauen Schallgeschwindigkeit bei genau ermittelter Luftfeuchte (und die ist in unterschiedlichen Tiefen des Brunnens unterschiedlich), und des genauen Luftdrucks (auch unterschiedlich) in den gemessenen Bereichen. Also, um zusammenzufassen, es gibt nur eine zugegeben recht genaue, aber nie eindeutige Berechnung der Brunnentiefe. Damit sind wir im Bereich der Integralrechnung, ohne ein absolutes Endergebnis je zu erzielen.

Das nur als Anmerkung eines Laien!

André

Hi André,

Guter Ansatz, meiner Meinung nach auch
perfekt gelöst, aber:

danke für das Kompliment.

Also, um
zusammenzufassen, es gibt nur eine
zugegeben recht genaue, aber nie
eindeutige Berechnung der Brunnentiefe.

Ja, das stimmt natürlich. Bei jeder Messung einer physikalischen Größe hat man immer einen Kompromiß einzugehen zwischen Quantität plus Qualität (=Genauigkeit) der zu messenden Inputgrößen und der Qualität des Ergebnisses. Einige Größen haben aber auch eine „natürliche“ Ungenauigkeit, z. B. wirst Du die Tiefe eines Brunnens von vornherein nicht auf 1/1000 mm genau und auch nicht auf 1 mm genau bestimmen können, da seine obere und untere Begrenzung eine gewisse „Unschärfe“ aufweisen (auf 1 m genau kannst Du die Tiefe aber sehr wohl bestimmen). Wenn eine solche natürliche Ungenauigkeit existiert, dann brauchst Du Dir um Einflußfaktoren, deren „Ungenauigkeitsbeitrag“ unterhalb dieser Grenze liegen, keine Gedanken zu machen. Allerdings kann es manchmal schwierig sein, zu beurteilen, ob ein bestimmter Einflußfaktor dieses Kriterium erfüllt. Die Änderung des Luftdrucks ist aber (wie auch die der Gravitationsfeldstärke g) auf einer solch kleinen Distanz so winzig, daß man das bestimmt nicht berücksichtigen muß. Was das Ergebnis jedoch *stark* beeinflußt, sind die Schalllaufzeit und die Luftreibung, die den Fall des Steins bremst. Letztere taucht aber in Übungsaufgaben nie auf, weil man dann auf eine Gleichung kommt, die sich nicht nach s auslösen läßt (übrigens: Wie genau läßt sich einen Luftwiderstandswert messen?) Die starke Abhängigkeit der Brunnentiefe (Fehler bis zu 30 % und mehr, je nachdem, ob man die Luftreibung berücksichtigt oder nicht) zeigt sich, wenn man numerische Näherungsverfahren bemüht.

Fazit: Das Brunnenproblem in der vorliegenden Form ist eine prima Übungsaufgabe, taugt aber für eine reale Tiefenbestimmung überhaupt nix.

Mit freundlichem Gruß
Martin