ungleichmäßig beschleunigte Bewegung (Blide)

Hallo,
Ich versuche gerade die Wurfweite/Wurfgeschwindigkeit einer Blide zu berechnen. Über den Energieerhaltungssatz (m*g*h=1/2*m*v^2) geht das recht einfach, allerdings spielt die Wurfarmlänge nur eine relativ geringe Rolle, nämlich die Abwurfhöhe.

Ich frage mich, wie es möglich ist, die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t oder zum Winkel alpha anzugeben. Ich habe bereits versucht eine Gleichung aufzustellen, allerdings bekam ich immer die beiden Variablen, von der ich eine durch die andere ersetzen musste.

Wie würdet ihr dafür ansetzen?

Gruß
Julian

Ich versuche gerade die Wurfweite/Wurfgeschwindigkeit einer
Blide zu berechnen. Über den Energieerhaltungssatz
(m*g*h=1/2*m*v^2) geht das recht einfach, allerdings spielt
die Wurfarmlänge nur eine relativ geringe Rolle, nämlich die
Abwurfhöhe.

der zweite teil ist für mich unverständlich=) aber das kann passieren wenn man beim schreiben zuviel überlegt. aber was ist ein/e „blide“?

Ich frage mich, wie es möglich ist, die Geschwindigkeit zum
Zeitpunkt t
Wie würdet ihr dafür ansetzen?

da du den luftwiderstand ignorierst, kannst du die geschwindigkeit in eine vertikale und eine horizontale komponente aufteilen. die horizontale komponente bleibt dabei immer gleich gross. die vertikale geschwindigkeit verhält sich wie im senkrechten wurf, ist also eine bewegung die konstant richtung erdboden beschleunigt wird. über diesen ansatz so kannst du den winkel und die geschwindigkeit zu einem bestimmten zeitpunkt berechnen. dazu benötigst du aber kentnisse in der trigonometrie. wenn du dich sogar auch mit vektorgeometrie auskennst sollte dies aber überhaupt kein problem sein, da du die wurfbewegung auch vektoriell beschreiben kannst.
gruss niemand

Hallo Julian,

Ich frage mich, wie es möglich ist, die Geschwindigkeit zum
Zeitpunkt t oder zum Winkel alpha anzugeben. Ich habe bereits
versucht eine Gleichung aufzustellen, allerdings bekam ich
immer die beiden Variablen, von der ich eine durch die andere
ersetzen musste.

soweit ich das auf die Schnelle übersehe, musst Du hierfür eine Differentialgleichung lösen, die der des Pendels entspricht. Das Problem ist, dass als unabhängige Vaiable der Sinus des Winkels in der DGL steht. Damit ist die DGL nicht mehr so einfach lösbar (wenn überhaupt). Beim Pendel löst man das Problem dadurch, dass man nur kleine Schwingungen betrachtet (also kleine Winkel). Dann kann man in guter Näherung den Sinus des Winkels gleich dem Winkel ersetzen, bekommt eine lineare DGL, die man lösen kann. Bei der Blide kann man diese Näherung nicht verwenden, weil der Winkel ja recht groß ist.

Leider kann ich Dir auch nicht weiterhelfen. Es gibt verbesserte Lösungen für das Uhrenpendel, um die Fehler durch die Linearisierung zu verringern, das dürfte in Deinem Fall aber immer noch nicht für eine korrekte Beschreibung reichen.

Grüße, Thomas

Zusatz zum Hauptbeitrag
Hallo,

der zweite teil ist für mich unverständlich=) aber das kann
passieren wenn man beim schreiben zuviel überlegt. aber was
ist ein/e „blide“?

Eine Blide ist das, was viele für ein Katapulten halten. Ein Katapult beschleunigt das Geschoss allerdings durch Spannenergie, die Blide per Gegengewicht.

Ich frage mich, wie es möglich ist, die Geschwindigkeit zum
Zeitpunkt t
Wie würdet ihr dafür ansetzen?

da du den luftwiderstand ignorierst, kannst du die
geschwindigkeit in eine vertikale und eine horizontale
komponente aufteilen. die horizontale komponente bleibt dabei
immer gleich gross. die vertikale geschwindigkeit verhält sich
wie im senkrechten wurf, ist also eine bewegung die konstant
richtung erdboden beschleunigt wird. über diesen ansatz so
kannst du den winkel und die geschwindigkeit zu einem
bestimmten zeitpunkt berechnen. dazu benötigst du aber
kentnisse in der trigonometrie. wenn du dich sogar auch mit
vektorgeometrie auskennst sollte dies aber überhaupt kein
problem sein, da du die wurfbewegung auch vektoriell
beschreiben kannst.

Nun, der Wurf an sich, ohne Luftwiderstand ist ziemlich einfach, mir geht es eher um die Beschleunigung des Geschosses bevor es abgeworfen wird. Die Kraft, die senkrecht nach unten wirkt, ist m*g allerdings beschleunigt diese Kraft den Arm nur zu einem Teil. Sieht man sich das Kräfteparallelogramm an:
http://postimage.org/image/wbbke09qn/

\cos(90-\beta)=\frac{F_G}{F_a}
\beta=180-\alpha-90
\cos(90-(180-\alpha-90))=\frac{F_G}{F_a}=\cos(90-180+\alpha+90)=\cos(\alpha)
–>
F_a=\frac{F_G}{\cos(\alpha)}
–>
a=\frac{F_a}{m}=\frac{\frac{F_G}{\cos(\alpha)}}{m}=\frac{F_G}{\cos(\alpha\bullet{m})}

Die Kraft, die den Arm beschleunigt ist von Alpha abhängig. Alpha wiederum von t. (Umso länger bereits bescheunigt wurde, umso größer Alpha) Ich kann die beschleunigende Kraft zu jedem Winkel berechnen, aber irgendwie muss ich ja die Gesamtbeschleunigung/Endgeschwindigkeit berechnen können…

Vielleicht könnt ihr jetzt besser verstehen, wie mein Gedankengang war.

Gruß
Julian

Hej,

wenn du nur an der Endgeschwindigkeit des Gegengewichts interessiert bist (und über Strahlensatz kennst du dann die Geschwindigkeit des obersten Punktes des Arms, ich bezieh mich mal auf dieses Bild hier:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trebuchet_Sch…
), dann kannst du über Energieerhaltung das rauskriegen, genau wie du es angesetzt hast. Die Energieerhaltung gilt auch bei nichtkonstanten Beschleunigungen, wie dem Pendel. Die Achsreibung würdest du aber hier außer Acht lassen, inwiefern deine Berehcnungen also irgedneinen Bezug zur Realität haben werden, mag ich nicht beurteilen.

Solltest du tatsächlich zu jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit benötigen, um z. B. auch die Bewegung des aufgehängten Teils korrekt zu bestimmen (ob du das aber brauchst habe ich noch nicht ausreichend durchdacht…), so kannst du einpacken.
Andererseits – evtl. könntest du sagen, dass die Abhängigkeit von der Zeit dich gar nicht interessiert und du z. B. als Parameter die Höhe des Gegengewichts nimmst. Dann hast du über die Energieerhaltung wieder aus der momentanen Höhe die momentane Geschwindigkeit. Nur eben nicht als Funktion der Zeit. Wenn du dann die Position des aufgehängten Steins über Zentrifugalkraft bestimmst, könnte es sein, dass du ohne Kenntnis der Zeitabhängigkeit auskommst. Aber absolut sicher bin ich mir nicht, eh ich das nicht gerechnet gesehen hab.

Die Näherungsverfahren, die mein Vorredner angesprochen hat, sind für dich unnütz, denn du hast Achseibung und diese ist die größere Unbekannte (denk ich mal).

w.bars

Hallo,

ich denke, es gibt drei Probleme:

  1. Bei derart großen Winkeländerungen kann man die grundlegende DGL nicht mehr geschlossen lösen. Man müsste dann mit Excel über den Energieerhaltungsatz die Verhältnisse für verschiedene Winkel ausrechnen. Wie allerdings der Winkel von der Zeit abhängt (Dynamik), erfährt man dadurch nicht.

  2. Mit dem beschriebenen Verfahren kann man etwas über den Endpunkt des langen Hebelarms erfahren, aber da ist die Geschichte ja nicht zu Ende: da hängt noch die Schlinge mit dem eigentlichen Geschoss dran. Des Geschossgewichts wegen darf man vermutlich die Schlinge als starren Hebel betrachten, der drehbar am Ende des Wurfarms befestigt ist. Aber die Gesamtdynamik dürfte trotzdem interessant sein…

Die Näherungsverfahren, die mein Vorredner angesprochen hat,
sind für dich unnütz, denn du hast Achseibung und diese ist
die größere Unbekannte (denk ich mal).

  1. Das kann ich nicht abschätzen. Die vorstehenden prinzipiellen Probleme sind ja schon groß genug. In der Explosionszeichnung einer Blide ist das Lager als ein sauber gefertigtes Teil gezeichnet, um das der hölzerne Arm in zwei Teilen herumgelegt wird, die dann miteinander verbunden werden. Da Bronze seit langem bekannt ist und über gute Reibeigenschaften verfügt, würde ich annehmen, dass das Lager aus Bronze gegossen ist, zumal es extremen Kräften standhalten muss. Der Gegenkörper besteht aus Holz. Ich vermute weiterhin, dass die Leute auch im Mittelalter so schlau waren, das Lager zu fetten (Schweineschmalz?). Welchen Reibungskoeffizienten das ergibt, entzieht sich vollends meiner Kenntnis. Dazu kommt, dass die beiden Teile des Hebels, die um das Lager gelegt werden, miteinander verbunden werden müssen. Da die Arbeitsvorgänge im Felde damals alles andere als reproduzierbar gewesen sein dürften, bedeutet das, dass das Lager mal stärker und mal weniger stark eingeklemmt war. Und vermutlich spielte auch die „Frische“ des Schweineschmalzes eine Rolle.

Schwierig, schwierig…

Grüße, Thomas

…versuche die Wurfweite/Wurfgeschwindigkeit einer
Blide zu berechnen. Über den Energieerhaltungssatz
(m*g*h=1/2*m*v^2)

Hallo Julian,
dein Ansatz führt so nicht zum Ziel! Schaut man sich die Zeichnung einer Blide an, dann sieht man dass das Gewicht eine Rotationsbewegung macht und der Wurfarm mit Geschoß ebenfalls…
m2*g*h2 ist die Energie die in das System gesteckt wird. Zum Abschußzeitpunkt ist das Gewicht in Rotation und der Wurfarm in Rotation. 0,5J1w² und 0,5J2w² und dann wurde noch Energie dazu aufgewendet das Geschoß auf die Abwurfhöhe zu heben m1gh1. Die Lagerreibung zieht auch noch was ab, aber am Anfang würde ich das vernachlässigen. Die Wurfweite muß dann über die Anfangsgeschwindigkeit, Abwurfwinkel berechnet werden (schiefer Wurf), über das w²(Winkelgeschwindigkeit) kommt man auf die Umfangsgeschwindigkeit des Geschosses und so auf die Abwurfgeschwindigkeit v0. Was da herauskommt ist dann die Maximalweite. Luftwiderstand und Lagerreibung können den Wurf nur noch verkürzen.
Wichtig ist es zu wissen bei welchem Wurfarmwinkel das Geschoß die Blide verläßt. Sobald das Gewicht den Tiefpunkt erreicht hat wird es wieder angehoben und die Wurfarmbeschleunigung wird negativ! Eine Skizze zum Abwurfpunkt kann das klären…
Gruß von NIrmer