Vektorielle Darstellung der Zentripetalbesch

Hallo Leute,
Wir haben in der Schule die Formel für die Zentripetalbeschleunigung hergeleitet.
Dann haben wir die Zentripetalbeschleunigung noch vektoriell betrachtet, allerdings verstehe ich den Sinn dieser Gleichungen nicht.

Zuerst haben wir den Radius als Vektor dargestellt:

\vec{r}=\binom{x}{y}=\binom{r\cdot cos\varphi}{r\cdot sin\varphi}

Als nächstes die Geschwindigkeit

\vec{v}=\dot{\vec{r}}=\binom{-r\cdot\dot{\varphi}\cdot sin\varphi}{r\cdot\dot{\varphi}\cdot cos\varphi}

Meine erste Frage ist, wie bilde ich diese Ableitungen, habe schon alles probiert komme aber nicht auf dieses Ergebnis.

Dann der Beschleunigungsvektor

\vec{a_{z}}=\binom{a_{x}}{a_{y}}=\binom{-a_{z}\cdot cos\varphi}{-a_{z}\cdot sin\varphi}=-a_{z}\cdot \binom{cos\varphi}{sin\varphi}

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot r \binom{cos\varphi}{sin\varphi}

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot\vec{r}

Meine Frage ist nun, wass bringt mir diese Darstellungsvariante der Zentripetalbeschleunigung?
Was sagen mir die Vektoren über die Zentripetalkraft?

Gruß Christof

Guten Tach,

ich stolpere gerade so herein und sehe, dass noch keiner
geantwortet hat, sonst hätte ich mich eher zurückgehalten :wink:

Also:

Hallo Leute,
Wir haben in der Schule die Formel für die
Zentripetalbeschleunigung hergeleitet.
Dann haben wir die Zentripetalbeschleunigung noch vektoriell
betrachtet, allerdings verstehe ich den Sinn dieser
Gleichungen nicht.

Zuerst haben wir den Radius als Vektor dargestellt:

\vec{r}=\binom{x}{y}=\binom{r\cdot cos\varphi}{r\cdot
sin\varphi}

Als nächstes die Geschwindigkeit

\vec{v}=\dot{\vec{r}}=\binom{-r\cdot\dot{\varphi}\cdot
sin\varphi}{r\cdot\dot{\varphi}\cdot cos\varphi}

Meine erste Frage ist, wie bilde ich diese Ableitungen, habe
schon alles probiert komme aber nicht auf dieses Ergebnis.

Ableitung bilden ist ganz einfach. So wie bisher auch, hier
nur komponentenweise und nach t halt. Da muß man halt erst
überlegen, welche Variable hängt von t ab, da kommt hier wohl
nur phi bzw. cos(phi) in Frage, r ist konstant. Und phi(t) =
omega*t, (omega konstant) somit dphi(t)/ dt = 1 :wink:

Dann halt ableiten: Innere Ableitung mal äußere Ableitung.

Dann der Beschleunigungsvektor

\vec{a_{z}}=\binom{a_{x}}{a_{y}}=\binom{-a_{z}\cdot
cos\varphi}{-a_{z}\cdot sin\varphi}=-a_{z}\cdot
\binom{cos\varphi}{sin\varphi}

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot r
\binom{cos\varphi}{sin\varphi}

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot\vec{r}

Meine Frage ist nun, wass bringt mir diese
Darstellungsvariante der Zentripetalbeschleunigung?
Was sagen mir die Vektoren über die Zentripetalkraft?

Also Du müßtest eigentlich aus den kartesischen Koordinaten
noch polare machen (alpha_t und alpha_r - radial und
tangentialbeschleunigung) und Dir alpha_r anschauen, welches
dann der Betrag der gesuchten Zentripetalbeschleuniogung ist.

Hoffe, ich konnte trotzdem helfen…
EasyJoel

Gruß Christof

hallo EasyJoel,
Erst einmal danke für deine Antwort, dass mit der Ableitung habe ich nun verstanden.
Doch die Vektorielle Darstellung irritiert mich nach wie vor.
Wir haben noch nicht mit Polarkoordinaten gerechnet, können diese Vektoren auch noch etwas anderes bedeuten?
Ich verstehe einfach nicht, was mir z.B der Ausdruck:

\vec{a_{z}}=a_{z}\cdot\binom{cos\varphi}{sin\varphi}

über die Zentripetalbeschleunigung sagt.

Gruß Christof

Hallo!

Ich verstehe einfach nicht, was mir z.B der Ausdruck:

\vec{a_{z}}=a_{z}\cdot\binom{cos\varphi}{sin\varphi}

über die Zentripetalbeschleunigung sagt.

a_z ist der Betrag der Zentripetalbeschleunigung.

Der Vektor gibt nur die Richtung an (stets zum Zentrum hin gerichtet). Er hat immer den Betrag 1. (In Deiner Formelsammlung steht irgendwo die nützliche Formel sin²x + cos²x = 1).

Das Produkt aus dem Skalar a_z und dem Richtungsvektor ergibt also einen Vektor, der - abhängig vom Winkel φ - immer mit dem Betrag a_z zum Kreismittelpunkt zeigt.

Was mich an dieser Geschichte interessieren würde:
In Deiner Vika steht Schüler und Du sprachst von „Schule“. Was für eine Schulart / Klassenstufe ist denn das? Falls Du auf ein Gymnasium gehst und falls Du in der 11. Klasse bist: Hast Du in Physik einen Lehrer oder einen Diplom-Physiker, der Physik unterrichtet, weil es keine richtigen Physik-Lehrer gibt? Ich habe nämlich den Verdacht, dass sich der Herr ganz gehörig im Niveau vergriffen hat …

(Falls es sich bei der Schule in Wirklichkeit um eine Hochschule handelt, vergiss einfach, was ich geschrieben habe…)

Michael

Hi,
und oops, dphi(t) /dt ist ja omega…*erröt* [d(omega*t)/dt…] s. meine erste Antwort…

Damit erhält man für den Vektor v: -r*omega*sin(phi)*e_x + r*omega*cos(phi)*e_y (Leider habe ich es nicht so drauf mit der Darstellung in Klammern wie Du, deswegen e_x etc…)

Wird das nochmalig abgeleitet, erhält man direkt den Ausdruck für a_z=-omega*omega*r[cos(phi)*e_x + sin(phi)*e_y]
und
Betrag(a_z)=omega*omega*r der Rest in der Klammer wird betragsmäßig zu 1.

Der Klammer Ausdruck ist ein rotierender Vektor, der in das Zentrum des Kreises zeigt, in Richtung der Zentripetalbeschleunigung eben.

Ciao, EasyJoel

Hallo Michael,
Danke für deine ausführliche und verständliche Antwort, diese hat mir sehr geholfen!
zu deiner Frage, Ich bin momentan in der 11 Klasse. Unsere Lehrerin ist meines Wissens keine Diplom Physikerin, wohl aber eine Diplom Mathematikerin. :wink:
Vielleicht kommt es daher.
Nochmals vielen Dank euch allen!

Gruß

OT: Lehrer
Moin,

genau das wollte ich auch fragen. Ich dachte zuerst, das wird vielleicht ein Leistungskurs in der 13. Klasse sein oder ein naturwissenschaftliches Spezialgymnasium.
Ich habe ja eigentlich nichts dagegen, dass ein Mathematiker mal (vertretungsweise) Physik-Unterricht an der Schule macht. Aber dann sollte er es auch können. Nicht nur fachlich, sondern vor allem eben auch didaktisch. Und das scheint hier nicht so zu sein…

Gruß
Olaf

Zentripetalkraft
Hallo.

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot r
\binom{cos\varphi}{sin\varphi}

\vec{a_{z}}=-\omega^2\cdot\vec{r}

Meine Frage ist nun, wass bringt mir diese
Darstellungsvariante der Zentripetalbeschleunigung?
Was sagen mir die Vektoren über die Zentripetalkraft?

Die Zentripetalkraft haengt ja gemaess F_z = m\cdot a_z mit der Zentripetalbeschleunigung a_z zusammen. Wenn Du nun fuer diese Zentripetalbeschleunigung eine vektorielle Darstellung hast, dann weisst Du

(i) wie gross der Betrag der Beschleunigung ist, also damit dann auch, wie gross der Betrag der Kraft ist, und

(ii) in welche Richtung diese Kraft zeigt, naemlich in Richtung von -\vec{r}. Das ist die Richtung vom kreisenden Objekt aus zum Mittelpunkt der Bahn hin.

Du hast also rechnerisch herausbekommen, dass die Zdentripetalbeschleunigung zum Bahnmittelpunkt zeigt.

Oder noch einmal anders formuliert: Du hast herausgefunden, dass eine Kraft zum Bahnmittelpunkt notwendig ist, um ein Objekt auf eine Kreisbahn zu zwingen.

Oder noch eine andere Antwort: Zusaetzlich zu der wahrscheinlich schon bekannten Betragsgleichung F_z = mw^2 r hast Du jetzt auch die Richtung der beiden (vektoriellen!) Seiten dieser Gleichung parat.

Vielleicht klaert das den Nebel?

PS. Und noch ein Hinweis zum Texen (was Du schon super machst!): Schreibe die Vektorpfeile nur ueber den Namen, nicht auch ueber den Index, also \vec{a}_z \quad\text{statt} \quad \vec{a_z}.

Viele Gruesse,

The Nameless