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a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe314:start [20 January 2021 12:30] – [Berechnung des Torsionsmoduls G] lisadigiacomo | a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe314:start [ 2 February 2021 11:01] (current) – [Berechnung des Torsionsmoduls G] lisadigiacomo | ||
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Line 18: | Line 18: | ||
Nun soll aus der Kreisfrequenz $\omega$ die Schwingungsdauer T bestimmt werden. Dazu hilft die Beziehung $\omega = \frac{2 \pi}{T}$. Diese kann man der Kreisfrequenz aus der Lösung der Bewegungsgleichung gleichgesetzt werden und wir erhalten: \\ | Nun soll aus der Kreisfrequenz $\omega$ die Schwingungsdauer T bestimmt werden. Dazu hilft die Beziehung $\omega = \frac{2 \pi}{T}$. Diese kann man der Kreisfrequenz aus der Lösung der Bewegungsgleichung gleichgesetzt werden und wir erhalten: \\ | ||
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- | $\sqrt{\frac{D_{R}}{I}} = \frac {2\pi}{T} \leftrightarrow T = 2\pi \cdot \frac{I}{D_{R}}$ | + | $\sqrt{\frac{D_{R}}{I}} = \frac {2\pi}{T} \leftrightarrow T = 2\pi \cdot \sqrt{\frac{I}{D_{R}}}$ |
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== Berechnungen vom rücktreibenden Drehmoment $D $== | == Berechnungen vom rücktreibenden Drehmoment $D $== | ||
Line 95: | Line 95: | ||
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== Experimentelle Bestimmung des Drehmoments == | == Experimentelle Bestimmung des Drehmoments == | ||
- | Joa keine ahnung. evtl trägheitsmoment | + | Das Drehmoment kann man mit einem Drehmomentschlüssel bestimmt werden. Dabei verbiegt sich der lange Schaft mit dem Griff bei Einwirkung einer Kraft. Die Stellung des Zeigers verändert sich dabei nicht. An einer Skala kann da das Drehmoment abgelesen werden. \\ |
+ | Zum anderen kann man das Drehmoment über den Drehimpuls bestimmen. Der Drehimpuls ist das Produkt aus Winkelgeschwingigkeit | ||
== Rotationsenergie == | == Rotationsenergie == | ||
Arbeit ist bei Translation das Produkt aus Kraft und Weg. In der Rotation ist das Drehmoment und der Drehwinkel das Äquivalent zu Kraft und Weg. Das bedeutet, dass die Änderung der Arbeit durch das Produkt aus Drehmoment und der Änderung des Winkels ausgedrückt werden kann. In der Translation wäre die Änderung der Arbeit das Produkt aus Arbeit und Änderung des Ortes. \\ | Arbeit ist bei Translation das Produkt aus Kraft und Weg. In der Rotation ist das Drehmoment und der Drehwinkel das Äquivalent zu Kraft und Weg. Das bedeutet, dass die Änderung der Arbeit durch das Produkt aus Drehmoment und der Änderung des Winkels ausgedrückt werden kann. In der Translation wäre die Änderung der Arbeit das Produkt aus Arbeit und Änderung des Ortes. \\ | ||
Line 101: | Line 102: | ||
$dW = D \cdot d\varphi$. | $dW = D \cdot d\varphi$. | ||
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- | + | \\ | |
- | Welche Änderung an Rotationsenergie | + | Jedes Masseelement eines rotierenden starren Körper besitzt eine bestimmte kinetische Energie, die von der Masse und deren Geschwindigkeit abhängig ist. Die Geschwindigkeit hängt bei Winkelgeschwindigkeit vom Abstand von der Drehachse ab. Diese Energie bezeichnet man als Rotationsenergie: |
+ | ;#; | ||
+ | $E_{Rot}=\frac{1}{2}\cdot I\cdot\omega^2$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | |||
== Steiner' | == Steiner' | ||
Der Steiner' | Der Steiner' | ||
Line 108: | Line 113: | ||
$I = I_{s} + m\cdot h^2$. | $I = I_{s} + m\cdot h^2$. | ||
;#; | ;#; | ||
+ | \\ | ||
+ | Um den Steiner´schen Satz experimentell zu beweisen, benutzt man einen Drehscheiben-Torsionspendel. | ||
- | Welche physikalische Aussage benötigen Sie zu seinem Beweis? | ||
====== Torsionsmodul des Drahtes ====== | ====== Torsionsmodul des Drahtes ====== | ||
Line 153: | Line 159: | ||
;#; | ;#; | ||
erhält man : $I = (4,13 \pm 0,11)\cdot 10 ^{-5} kgm^2$. | erhält man : $I = (4,13 \pm 0,11)\cdot 10 ^{-5} kgm^2$. | ||
+ | |||
==== Messwerte Gitarrenseite | ==== Messwerte Gitarrenseite | ||
+ | Die Messwerte werden mit Abzug von der Schrecksekunde $0,291~s$ (s. Messunsicherheiten) angegeben. | ||
^ L in m ^ $4~T$ in s ^ T in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ^ L in m ^ $4~T$ in s ^ T in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ||
- | | 0,365 | + | | 0,365 | 14,80 | 3,69 | 0,05 | 0,02 | |
- | | | 15,06 | | + | | | 14,77 | |
- | | | 14,99 | | + | | | 14,70 |
- | | | 15,30 | | + | | | 15,01 |
- | | | 14,75 | | + | | | 14,46 |
| | | | | | ||
- | | 0,298 | + | | 0,298 | 13,51 | 3,349 | 0,03 | 0,013 | |
- | | | 13,68 | | + | | | 13,39 | |
- | | | 13,49 | | + | | | 13,20 | |
- | | | 13,75 | | + | | | 13,46 | |
- | | | 13,72 | | + | | | 13,43 | |
| | | | | | ||
- | | 0,243 | 12,43 | 3,103 | | 0,012 | | + | | 0,243 | 12,14 | 3,030 | 0,02 | 0,012 | |
- | | | 12,28 | | + | | | 11,99 |
- | | | 12,56 | | + | | | 12,27 | |
- | | | 12,33 | | + | | | 12,04 | |
- | | | 12,65 | | + | | | 12,16 | |
| | | | | | ||
- | | 0,158 | + | | 0,158 |
- | | | 9,91 | + | | | 9,62 |
- | | | 10,06 | | + | | | 9,77 | |
- | | | 10,10 | | + | | | 9,81 | |
- | | | 10,00 | | + | | | 9,71 | |
| | | | | | ||
- | | 0,089 | 7,74 | 1,958 | 0,017 | 0,007 | | + | | 0,089 | 7,45 | 1,885 | 0,017 | 0,007 | |
- | | | 7,86 | + | | | 7,57 |
- | | | 7,78 | + | | | 7,49 |
- | | | 7,89 | + | | | 7,60 |
- | | | 7,88 | + | | | 7,59 |
==== Messwerte Gummiband ==== | ==== Messwerte Gummiband ==== | ||
^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardabweichung in s ^ | ^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardabweichung in s ^ | ||
- | | 0,137 | 8,71 | 8,62 | 0,06 | 0,03 | | + | | 0,137 | 8,61 | 8,52 | 0,06 | 0,03 | |
- | | | 8,57 | + | | | 8,48 |
- | | | 8,56 | + | | | 8,46 |
- | | | 8,64 | + | | | 8,54 |
- | | | 8,63 | + | | | 8,53 |
| | | | ||
- | | 0,094 | 6,49 | 6,30 | 0,15 | 0,07 | | + | | 0,094 | 6,39 | 6,15 | 0,15 | 0,07 | |
- | | | 6,27 | | | | | + | |
- | | | 6,11 | | | | + | |
| | 6,18 | | | | | | | 6,18 | | | | | ||
- | | | 6,20 | + | | | 6,01 | | | | |
+ | | | 6,08 | | | | | ||
+ | | | 6,10 | ||
| | | | ||
- | | 0,034 | 3,22 | 3,26 | 0,04 | 0,02 | | + | | 0,034 | 3,12 | 3,16 | 0,04 | 0,02 | |
- | | | 3,32 | + | | | 3,22 |
- | | | 3,24 | + | | | 3,14 |
- | | | 3,23 | + | | | 3,13 |
- | | | 3,27 | + | | | 3,18 |
==== Messwerte Kabel ==== | ==== Messwerte Kabel ==== | ||
^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ||
- | | 0,964 | 0,550 | 0,558 | 0,014 | 0,006 | | + | | 0,964 | 0,477 | 0,485 | 0,014 | 0,006 | |
- | | | 0,580 | | | | | + | | | 0,507 | | | | |
- | | | 0,545 | | | | + | | | 0,472 | | | | |
- | | | 0,553 | + | |
- | | | 0,560 | + | |
- | | | + | |
- | | 0,588 | 0,483 | 0,474 | 0,012 | 0,005 | + | |
| | 0,480 | | | 0,480 | ||
- | | | 0,455 | | | | | + | | | 0,487 |
- | | | 0,470 | | | | | + | | |
- | | | 0,483 | | | | | + | | 0,588 | 0,410 | 0,401 | 0,012 | 0,005 | |
+ | | | 0,407 | ||
+ | | | 0,382 | | | | | ||
+ | | | 0,397 | | | | | ||
+ | | | 0,410 | | | | | ||
| | | | ||
- | | 0,221 | 0,283 | 0,290 | 0,009 | 0,004 | | + | | 0,221 | 0,210 | 0,217 | 0,009 | 0,004 | |
- | | | 0,280 | | | | | + | | | 0,207 | | | | |
- | | | 0,298 | | | | | + | | | 0,225 | | | | |
- | | | 0,300 | | | | | + | | | 0,227 | | | | |
- | | | 0,290 | | | | | + | | | 0,217 | | | | |
==== Messwerte Garn ==== | ==== Messwerte Garn ==== | ||
^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ^ L in m ^ T in s ^ Mittelwert in s ^ Standardabweichung in s ^ Standardfehler in s ^ | ||
- | | 0,756 | 9,97 | 9,75 | 0,3 | 0,13 | | + | | 0,756 | 9,82 | 9,60 | 0,3 | 0,13 | |
- | | | 9,72 | + | | | 9,57 |
- | | | 9,35 | | | | | + | | | 9,20 |
- | | | 9,93 | + | |
| | 9,78 | | | | | | | 9,78 | | | | | ||
+ | | | 9,63 | | | | | ||
| | | | ||
- | | 0,532 | 7,31 | 7,40 | 0,09 | 0,04 | | + | | 0,532 | 7,16 | 7,25 | 0,09 | 0,04 | |
- | | | 7,44 | + | | | 7,29 |
- | | | 7,42 | + | | | 7,27 |
- | | | 7,51 | + | | | 7,36 |
- | | | 7,32 | + | | | 7,17 |
| | | | ||
- | | 0,108 | 3,740 | 3,76 | 0,04 | 0,018 | | + | | 0,108 | 3,595 | 3,61 | 0,04 | 0,018 | |
- | | | 3,805 | | | | | + | | | 3,660 | | | | |
- | | | 3,760 | | | | | + | | | 3,615 | | | | |
- | | | 3,695 | | | | | + | | | 3,550 | | | | |
- | | | 3,775 | | | | | + | | | 3,630 | | | | |
- | NOCH MIT FORMEL DR SCHWINGUNGSDAUER BERECHNEN???? | + | |
====== Berechnung des Torsionsmoduls G ====== | ====== Berechnung des Torsionsmoduls G ====== | ||
- | Zur Berechnung des Torsionsmoduls werden die Gleichungen $D_{R} = \frac{\pi}{2} \cdot \frac{G \cdot R^4}{L}$ und $ T= 2\cdot \pi \sqrt{\frac {I}{D_{R}}}$. Wenn wir die Gleichung für die Schwingungsdauer nach $D_{R}$ umstellen, können wir beides gleichsetzen und erhalten | + | Zur Berechnung des Torsionsmoduls werden die Gleichungen $D_{R} = \frac{\pi}{2} \cdot \frac{G \cdot r^4}{L}$ und $ T= 2\cdot \pi \sqrt{\frac {I}{D_{R}}}$ |
;#; | ;#; | ||
- | $ G = \frac{8\pi \cdot I \cdot L}{T^2 \cdot R^4}$. | + | $ G = \frac{8\pi \cdot I \cdot L}{T^2 \cdot r^4}$. |
;#; | ;#; | ||
- | Aus der Steigung der Graphen in der Auswertung kann man $\frac{L}{T^2}$ ablesen. Den Rest der Gleichung sind bekannte Größen, die man dann einsetzen kann und erhält das Torsionsmodul. Das Trägheitsmoment der Rolle ist $I = (0,0000413 \pm 0,000011) ~kgm^2$ und der Radius der Rolle $R = ( 0,048 \pm 0,0005 ) ~ m$. \\ | + | Aus der Steigung der Graphen in der Auswertung kann man $\frac{T^2}{L}$ ablesen. Den Rest der Gleichung sind bekannte Größen, die man dann einsetzen kann und erhält das Torsionsmodul. Das Trägheitsmoment der Rolle ist $I = (0,0000413 \pm 0,0000011) ~kgm^2$. \\ |
Die Unsicherheit für dieses Torsionsmodul lässt sich wie folgt mit der Gauß' | Die Unsicherheit für dieses Torsionsmodul lässt sich wie folgt mit der Gauß' | ||
;#; | ;#; | ||
- | $\sqrt{(\frac{8\pi \cdot I}{R^4}\cdot u(a))^2+ (\frac{a\cdot 8\pi}{R^4}\cdot u(I))^2+(\frac{32\pi\cdot I\cdot a}{R^5}\cdot u(R))^2}$. | + | $u(G)=\sqrt{(-\frac{1}{a^2}\cdot\frac{8\pi \cdot I}{r^4}\cdot u(a))^2+ (\frac{1}{a}\cdot\frac{8\pi}{r^4}\cdot u(I))^2+(\frac{1}{a}\cdot\frac{32\pi\cdot I}{r^5}\cdot u(r))^2}$. |
;#; | ;#; | ||
== Torsionsmodul der Gitarrensaite == | == Torsionsmodul der Gitarrensaite == | ||
- | Die Steigung des Graphens für die Gitarrensaite ist $a = (37,4 \pm 0,5 )~\frac{m}{s^2}$. | + | Die Steigung des Graphens für die Gitarrensaite ist $a = (36,3 \pm 0,7 )~\frac{m}{s^2}$ und $ r = (0,00014 \pm 0,00005)~m$. |
;#; | ;#; | ||
- | $ G_{Saite} = ( 7313,0 \pm 374,6) Pa$. | + | $ G_{Saite} = ( 74,4 \pm 2,4)~ GPa$. |
;#; | ;#; | ||
+ | Der Literaturwert für Stahl ist etwa $G = 79,3 ~GPa$. Das ist eine Abweichung von $6,6\%$, was anhand der Messunsicherheiten erklärbar sein wird. | ||
== Torsionsmodul des Gummiband == | == Torsionsmodul des Gummiband == | ||
- | Die Steigung des Graphens für das Gummiband ist $a = (616,9 \pm 15,5 )~\frac{m}{s^2}$. | + | Die Steigung des Graphens für das Gummiband ist $a = (601,4 \pm 75,6 )~\frac{m}{s^2}$ und $ r = (0,0005 \pm 0,00005)~m$. |
;#; | ;#; | ||
- | $ G_{Gummi} = ( 0,000121\pm 0.000007)~ GPa$. | + | $ G_{Gummi} = ( 0,0276\pm 0.0111)~ GPa$. |
;#; | ;#; | ||
- | Der Literaturwert | + | Der Literaturwert beträgt |
== Torsionsmodul des Kabels | == Torsionsmodul des Kabels | ||
- | Die Steigung des Graphens für das Kabel ist $a = (0,33 \pm 0,04 )~\frac{m}{s^2}$. | + | Die Steigung des Graphens für das Kabel ist $a = (0,25 \pm 0,03 )~\frac{m}{s^2}$ und $ r = (0,0015 \pm 0,00005)~m$. |
;#; | ;#; | ||
- | $ G_{Kabel} = ( 64,5 \pm 8,4) Pa$. | + | $ G_{Kabel} = ( 0,82\pm 0,15)~ GPa$. |
;#; | ;#; | ||
- | Der Literaturwert von PVC ist im $mPa$ bis zu einigen $Pa$. Damit passt der bestimmte Wert in den Bereich. | + | |
== Torsionsmodul des Garns == | == Torsionsmodul des Garns == | ||
- | Die Steigung des Graphens für das Garnstück ist $a = (96,4 \pm 4,2 )~\frac{m}{s^2}$. | + | Die Steigung des Graphens für das Garnstück ist $a = (118,2 \pm 21,2 )~\frac{m}{s^2}$ und $ r = (0,001 \pm 0,00005)~m$. |
;#; | ;#; | ||
- | $ G_{Garn} = ( 18849,6 \pm 1242,3) Pa$. | + | $ G_{Garn} = ( 0,009 \pm 0,002) ~GPa$. |
;#; | ;#; | ||
- | Für Garn wurde kein Literaturwert | + | Leider wurden für die zwei weiteren Torsionsaufhängungen keine Literaturwerte gefunden. |
+ | ====== Berechnung des Trägheitsmoments ====== | ||
+ | ==== Versuchsaufbau ==== | ||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Um das Trägheitsmoment zu bestimmen, brauchen wir die Periodendauer T. Diese haben wir bestimmt, indem wir für fünf Perioden die Zeit gestoppt haben. | ||
+ | Das Trägheitsmoment haben wir mit der Folgenden Formel berechnet: | ||
+ | \\ | ||
+ | ;#; | ||
+ | $De=\frac{π}{2}·\frac{G·r^4}{l}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $T=2π·\sqrt{\frac{I}{D_R}}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $T^2=4π^2·\frac{I}{D_R}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $D_R=4π^2·\frac{I}{T^2}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $\frac{π}{2}·\frac{G·r^4}{l}=4π^2·\frac{I}{T^2}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $\frac{G·r^4}{l}=8π·\frac{I}{T^2}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $I=\frac{T^2}{8π}·\frac{G·r^4}{l}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | \\ | ||
+ | Für die Bestimmung der Periodendauer T hab ich drei Gegenstände benutzt. Die Gitarrensaite habe ich an einer frei hängenden Lampe befestigt (siehe Foto). Die Länge betrug dabei $l=0,63 ~m$. Den Radius der genutzten Saite haben wir auf $r = (0,00015\pm 0,00005)~ m$ angenommen (Gitarrensaite hat laut Wikipedia etwa 0.012 Zoll) . Für das Torsionsmodul haben wir mit dem Literaturwert | ||
+ | Damit die Perdiodendauer genauer ist, haben wir unsere Reaktionszeit gemessen und diese von der Periodendauer abgezogen. Die gemittelte Reaktionszeit betrug $< | ||
+ | Für die DVD-Schachtel ergaben sich folgende Messwerte: | ||
+ | ^ T in s (für 5 Perioden) ^ T in s (für eine Periode) | | ||
+ | | 7,779 | 1, | ||
+ | | 8,051 | 1, | ||
+ | | 8,028 | 1, | ||
+ | | 8,089 | 1, | ||
+ | | 7,541 | 1, | ||
+ | |||
+ | Es ergibt sich eine Periodendauer von $< | ||
+ | Die DVD-Schachtel hat eine Masse von $m_{1} = 0,155 ~kg$.\\ | ||
+ | Die Unsicherheit der Schwingungsdauer beträgt $u(T) = 0,02~s$. | ||
+ | \\ | ||
+ | Damit haben wir für die DVD-Schachtel ein Trägheitsmoment von\\ | ||
+ | $I_{1} = 1,8361\cdot 10^{-5}~kg·m^2$.\\ | ||
+ | |||
+ | Die zweite Messung haben wir mit einer Aludose durchgeführt. Dabei ergaben sich folgende Messwerte: | ||
+ | ^ T in s (für 5 Perdioden) ^ T in s (für eine Periode) | | ||
+ | | 8,232 | 1, | ||
+ | | 8,003 | 1, | ||
+ | | 8,008 | 1, | ||
+ | | 7,939 | 1, | ||
+ | | 7,998 | 1, | ||
+ | |||
+ | Daraus ergibt sich eine Periodendauer von $< | ||
+ | Die Dose hatte eine Masse von $m_{2} = 0,045 ~kg$.\\ | ||
+ | Die Unsicherheit ist hier $u(T) = 0,0101 ~s$. | ||
+ | \\ | ||
+ | Damit haben wir für die Aludose ein Trägheitsmoment von\\ | ||
+ | $I_{2} = 1,904\cdot 10^{-5}~kg·m^2$\\ | ||
+ | |||
+ | Die letzte Messung haben wir mit einer mit Wasser gefüllten Christbaumkugel durchgeführt. Dabei ergaben sich folgende Messwerte: | ||
+ | ^ T in s (für 5 Perdioden) ^ T in s (für eine Periode) | | ||
+ | | 7,968 | 1, | ||
+ | | 7,915 | 1,583 | | ||
+ | | 7,868 | 1, | ||
+ | | 8,004 | 1, | ||
+ | | 8,094 | 1, | ||
+ | |||
+ | Daraus ergibt sich eine Perdiodendauer von $< | ||
+ | Die Masse beträgt $m_{3} = 0,092 ~kg$. \\ | ||
+ | Die Unsicherheit ist hier $u(T) = 0,008 ~s $. | ||
+ | \\ | ||
+ | Wir berechnen für die Christbaumkugel ein Trägheitsmoment von $I_{3} = 1,8714\cdot 10^{-5}~kg·m^2$. | ||
+ | |||
+ | == Messunsicherheit des Trägheitsmoments == | ||
+ | |||
+ | Die Unsicherheit des Trägheitsmoments lässt sich wie folgt mit der Gaußschen Fehlerfortpflanzung bestimmen: | ||
+ | ;#; | ||
+ | $u(I) = \sqrt{(\frac{T\cdot G \cdot r^4}{4\pi\cdot l}\cdot u(T))^2+(\frac{T^2 \cdot G\cdot r^3}{2\pi \cdot l}\cdot u(r))^2+(-\frac{T^2\cdot G\cdot r^4}{8\pi \cdot l^2}\cdot u(l))^2}$ | ||
+ | ;#; | ||
+ | Es ergeben sich die Trägheitsmomente | ||
+ | ;#; | ||
+ | $I_{1}= (0, | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $I_{1}= (0, | ||
+ | ;#; | ||
+ | ;#; | ||
+ | $I_{1}= (0, | ||
+ | ;#; | ||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
+ | ====== Messunsicherheiten ====== | ||
+ | |||
+ | === Schrecksekunde für Experiment 1=== | ||
+ | Die Schrecksekunde ist eine Unsicherheit bei der Messung von Zeit mit einer Stoppuhr. Hier wird die Schrecksekunde durch ein Reaktionszeit-Test ermittelt. Dort wird die eigene Reaktionszeit ermittelt, die man hat, wenn ein Ereignis eintritt und man darauf reagieren muss. \\ | ||
+ | Nach 20 Messungen wurde ein Mittelwert von $0,291~s$ ermittelt, die von jeder Messung abgezogen wird. |