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a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:start [15 January 2021 10:51] – [Experimente] larskriegera_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:start [21 January 2021 16:01] (current) – bennetedelburg
Line 1: Line 1:
 =====gruppe327===== =====gruppe327=====
 +Anmerkung: Manche Bilder wurden automatisch gedreht.
 ====Theorie==== ====Theorie====
 ==Aufgabe Kreisfrequenz und rücktreibenes Drehmoment== ==Aufgabe Kreisfrequenz und rücktreibenes Drehmoment==
Line 10: Line 11:
 ==Aufgabe 1== ==Aufgabe 1==
 Um zu überprüfen, welche Anfangswerte auf die Lösung $\varphi(t)=\varphi_0\cos{\omega t}; \omega = \sqrt{\frac{D_R}{I}}$ führen, betrachten wir zu erst die DGL $I\ddot{\varphi} = - D_R\varphi$. Um zu überprüfen, welche Anfangswerte auf die Lösung $\varphi(t)=\varphi_0\cos{\omega t}; \omega = \sqrt{\frac{D_R}{I}}$ führen, betrachten wir zu erst die DGL $I\ddot{\varphi} = - D_R\varphi$.
-Dabei handelt es sich um eine homogene gewöhnliche Differentialgleichung der 2. Ordnung, die uns an die des harmonischen Oszillators bzw. an die DGL des Federpendels erinnert. Daher wissen wir, dass die Lösung dieser DGL allgemein von der Form+Dabei handelt es sich um eine homogene gewöhnliche Differentialgleichung (DGL) der 2. Ordnung, die uns an die des harmonischen Oszillators bzw. an die DGL des Federpendels erinnert. Daher wissen wir, dass die Lösung dieser DGL allgemein von der Form
 $\varphi(t) = A\cos{\omega t}+B\sin{\omega t}$ und $\omega = \sqrt{\frac{D_R}{I}}$ sein muss. Wir wollen uns nun die Anfangswerte überlegen. Zum Startpunkt $t = 0$ hat das Drehpendel eine Startauslenkung $\varphi_0$. Daher sollte einer der Anfangswerte $\varphi(0) = \varphi_0$ sein. Weiterhin hat das Pendel bei dem Zeitpunkt $t=0$ keine Geschwindigkeit. Daher sollte für die zweite Anfangsbedingung gelten $\dot{\varphi}(0)=0$. $\varphi(t) = A\cos{\omega t}+B\sin{\omega t}$ und $\omega = \sqrt{\frac{D_R}{I}}$ sein muss. Wir wollen uns nun die Anfangswerte überlegen. Zum Startpunkt $t = 0$ hat das Drehpendel eine Startauslenkung $\varphi_0$. Daher sollte einer der Anfangswerte $\varphi(0) = \varphi_0$ sein. Weiterhin hat das Pendel bei dem Zeitpunkt $t=0$ keine Geschwindigkeit. Daher sollte für die zweite Anfangsbedingung gelten $\dot{\varphi}(0)=0$.
 Dies wollen wir nun überprüfen, indem wir die Anfangswerte einsetzen. Dazu benötigen wir erst die erste zeitliche Ableitung von $\varphi(t)$. Sie lautet: $\dot{\varphi}(t)= - A\omega\sin{\omega t} + B\omega \cos{\omega t}$. Damit ergibt sich: Dies wollen wir nun überprüfen, indem wir die Anfangswerte einsetzen. Dazu benötigen wir erst die erste zeitliche Ableitung von $\varphi(t)$. Sie lautet: $\dot{\varphi}(t)= - A\omega\sin{\omega t} + B\omega \cos{\omega t}$. Damit ergibt sich:
Line 34: Line 35:
  
 ==Aufgabe 4== ==Aufgabe 4==
-Wir können das Drehmoment mithilfe der Beziehung $D = - D_R \varphi$ bestimmen. Wenn wir für $\varphi$ die Startauslenkung nehmen, so können wir das maximale Drehmoment für die enstprechende Messung berechnen, da der Winkel aufgrund der Luftreibung immer kleiner wird. Das rücktreibene Drehmoment berechnet man mit $D_R = \frac{\pi}{2}\cdot\frac{G\cdot r^4}{L}$, wobei G das Torsionsmodul des Materials ist, r der Radius des Drahtes und L die Länge des Drahtes. G lässt sich hier experimentell bestimmen.+Das Drehmoment $M$ ließe sich expermientell über die Beziehung $M = I\cdot \dot{\omega}$ bestimmen. Hierbei ist $I$ das Trägheitsmoment und $\dot{\omega}$ die Winkelbeschleunigung. Die Winkelbeschleunigung kann mittels $\ddot{\varphi}(t) = \varphi_0\cdot (-\omega^2)\cdot \cos{(\omega t)} = - \varphi_0\cdot \frac{D_R}{I}\cos{(\sqrt{\frac{D_R}{I}}t)}$ bestimmt werden, wobei $D_R$ und $I$ ebenfalls experimentell bestimmt werden können. Wenn man nun für $t$ die Periodendauder verwendet, erhält man die Winkelgeschwindigkeit am Ende einer Periode, womit man das Drehmoment am Ende einer Periode bestimmen kann.
  
 ==Aufgabe 5== ==Aufgabe 5==
-Das Drehmoment ist vergleichbar mit der Kraft, nur dass hier eine Drehbewegung statt eine geradlinige Bewegung sattfindet. Damit können wir Rückschlüsse auf die Arbeit schließen. Für die Kraft gilt $W = \int \vec F(\vec s)\cdot \mathrm{d}\vec s$. Nun haben wir hier aber einen Winkel statt eine geradlinige Bewegung. Das heißt es wird eine Arbeit verrichtet, wenn zwischen zwei Winkeln ein konstanter Drehmoment wirkt. Das heißt, es gilt $W = \int \vec D \cdot \mathrm{d}\vec{\varphi}$. Dann erhalten wir die Beziehung $\mathrm{d}W = D \mathrm{d}\varphi$ für die Arbeit. Die Rotationsenergie ist $\frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2$. Es ist also$ D \mathrm{d}\varphi = \frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2$ als Änderung an Rotationsenergie. Damit ergibt sich:+Das Drehmoment ist vergleichbar mit der Kraft, nur dass hier eine Drehbewegung anstatt einer geradlinigen Bewegung stattfindet. Damit können wir Rückschlüsse auf die Arbeit schließen. Für die Kraft gilt $W = \int \vec F(\vec s)\cdot \mathrm{d}\vec s$. Nun haben wir hier aber einen Winkel anstatt einer geradlinigen Bewegung. Das heißt, es wird eine Arbeit verrichtet, wenn zwischen zwei Winkeln ein konstantes Drehmoment wirkt. Das heißt, es gilt $W = \int \vec D \cdot \mathrm{d}\vec{\varphi}$. Dann erhalten wir die Beziehung $\mathrm{d}W = D \mathrm{d}\varphi$ für die Arbeit. Die Rotationsenergie ist $\frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2$. Es ist also$ D \mathrm{d}\varphi = \frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2$ als Änderung an Rotationsenergie. Damit ergibt sich:
 \begin{align*} \begin{align*}
 &D \mathrm{d}\varphi = \frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2 && \vert :\mathrm{d}t\\ &D \mathrm{d}\varphi = \frac{1}{2}I\dot{\varphi}^2 && \vert :\mathrm{d}t\\
Line 58: Line 59:
 I&=\frac{1}{4}mR^2+\frac{1}{12}ml^2\label{TragheitsmomentStabFormel} I&=\frac{1}{4}mR^2+\frac{1}{12}ml^2\label{TragheitsmomentStabFormel}
 \end{align} \end{align}
 +Gemessen haben wir:
 \begin{align*} \begin{align*}
 l&=(15{,}7\pm0{,}1)\mathrm{cm}=(0{,}157\pm0{,}001)\mathrm{m}\\ l&=(15{,}7\pm0{,}1)\mathrm{cm}=(0{,}157\pm0{,}001)\mathrm{m}\\
-R&=(0{,}6\pm0{,}1)\mathrm{cm}=(0{,}006\pm0{,}001)\mathrm{m}\\+R&=(3{,}05\pm0{,}05)\mathrm{mm}=(305\pm5)\cdot10^{-5}\,\mathrm{m}\\
 m&=(34\pm0{,}5)\mathrm{g}=(0{,}034\pm0{,}0005)\mathrm{kg} m&=(34\pm0{,}5)\mathrm{g}=(0{,}034\pm0{,}0005)\mathrm{kg}
 \end{align*} \end{align*}
-\begin{align} +Das ergibt: 
-\Rightarrow I&= \frac{1}{4}0{,}034\mathrm{kg}(0{,}006\mathrm{m})^2+\frac{1}{12}0{,}034\mathrm{kg}(0{,}157\mathrm{m})^2=7{,}014\cdot10^{-5}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^2\\ +\begin{align*} 
-\mathrm{u}(I)&= +\Rightarrow I&= \frac{1}{4}0{,}034\mathrm{kg}(305\cdot10^{-5}\mathrm{m})^2+\frac{1}{12}0{,}034\mathrm{kg}(0{,}157\mathrm{m})^2=6{,}99\cdot10^{-5}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^2\\ 
-\end{align}+\mathrm{u}(I)&=\sqrt{\left((\frac{\partial I}{\partial m})\cdot\mathrm{u}(m)\right)^2+\left((\frac{\partial I}{\partial l})\cdot\mathrm{u}(m)\right)^2+\left((\frac{\partial I}{\partial l})\cdot\mathrm{u}(m)\right)^2}\\ 
 +&=\sqrt{((\frac{1}{4}R^2+\frac{1}{12}l^2)\cdot\mathrm{u}(m))^2+(\frac{1}{2}mR\cdot\mathrm{u}(l))^2+(\frac{1}{6}ml\cdot\mathrm{u}(R))^2}\\ 
 +&=\sqrt{((\frac{1}{4}(305\cdot10^{-5}\mathrm{m})^2+\frac{1}{12}(0{,}157\mathrm{m})^2)\cdot0{,}0005\mathrm{kg})^2}\\&\overline{+(\frac{1}{2}0{,}034\mathrm{kg}\cdot305\cdot10^{-5}\mathrm{m}\cdot0{,}001\mathrm{m})^2+(\frac{1}{6}0{,}034\mathrm{kg}\cdot0{,}157\mathrm{m}\cdot5\cdot10^{-5}\mathrm{m})^2}\\ 
 +&=10\cdot10^{-7}\mathrm{kg}\mathrm{m}^2\end{align*}
  
 ===Messwerte=== ===Messwerte===
 +Gemessen mit einer Schieblehre: Durchmesser des Drahtes $=(0{,}7\pm0{,}1)\mathrm{mm}$
 ==Messwerte zum Torsionsmodul des Drahtes für die Metallstange== ==Messwerte zum Torsionsmodul des Drahtes für die Metallstange==
-^ l in cm  ^ T5 in s  ^ +Die Unsicherheit der Länge ist $u(L) = 2\,\mathrm{mm}$. Für die Unsicherheit der Periodendauer siehe den Abschnitt zu Unsicherheiten hier im Wiki. 
-| 15,2     | 9,62     | +^ L in cm  ^ T5 in s  ^ T in s  ^ 
-| 20       | 10,26    | +| 15,2     | 9,62     | 1,92    | 
-| 25,3     | 11,61    | +| 20,0     | 10,26    | 2,05    | 
-| 32       | 13,03    | +| 25,3     | 11,61    | 2,32    | 
-| 34,8     | 13,19    | +| 32,0     | 13,03    | 2,61    | 
-| 40,2     | 14,14    | +| 34,8     | 13,19    | 2,64    | 
-| 44       | 14,89    | +| 40,2     | 14,14    | 2,83    | 
-| 48,8     | 15,21    | +| 44,0     | 14,89    | 2,98    | 
-| 51       | 15,83    | +| 48,8     | 15,21    | 3,04    | 
-| 58       | 17,16    |+| 51,0     | 15,83    | 3,17    | 
 +| 58,0     | 17,16    | 3,43    |
  
 ===Unsicherheiten=== ===Unsicherheiten===
-==Unsicherheit für die Zeitmessung==+==Unsicherheit für die Zeitmessung bei Person1== 
 +Programm für die Unsicheit (läuft nur auf **Windows**): 
 +<code c++ Schrecksekunde.cpp> 
 +#include <Windows.h> 
 +#include <chrono> 
 +#include <fstream> 
 +#include <iostream> 
 +#include <pthread.h> 
 +#include <stdlib.h> 
 +#include <string> 
 +#include <vector> 
 +#include <iomanip> 
 + 
 +std::chrono::steady_clock::time_point keyTime; 
 +std::vector<double> deltaTimes; 
 +bool spacePressed = false; 
 + 
 +//function for writing a string to a csv file 
 +int writeTextToCsv(std::string text, std::string filename) { 
 +    std::ofstream fileStream; 
 +    fileStream.open(filename + ".csv"); 
 +    fileStream << text; 
 +    fileStream.close(); 
 +    return 0; 
 +} 
 + 
 +//saves the time in a global variable when the space bar is pressed 
 +void *keyPressedTime(void *) { 
 +    while (!(GetKeyState(VK_SPACE) & 0x8000)) { 
 +        Sleep(1); 
 +    } 
 +    spacePressed = true; 
 +    keyTime = std::chrono::steady_clock::now(); 
 +    return 0; 
 +} 
 + 
 +int main() { 
 +    std::cout << "Try to hit 'space' when '5' is showing, the output will be written in a csv file\nit will now run ten times" << std::endl; 
 + 
 +    //the pc time measure systematic error 
 +    std::chrono::steady_clock::time_point pcTimeBegin = std::chrono::steady_clock::now(); 
 +    std::chrono::steady_clock::time_point pcTimEnd = std::chrono::steady_clock::now(); 
 +    int pcTimeDiff = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(pcTimEnd - pcTimeBegin).count(); 
 + 
 +    pthread_t keyThread; 
 + 
 +    for (int i = 0; i < 10; i++) { 
 +        Sleep(1000); 
 +        std::cout << std::endl; 
 + 
 +        spacePressed = false; 
 + 
 +        //start time measure for space press 
 +        pthread_create(&keyThread, NULL, &keyPressedTime, NULL); 
 + 
 +        std::chrono::steady_clock::time_point begin; 
 + 
 +        //counter 
 +        for (int num = 1; num <= 1000; num++) { 
 +            Sleep(10); 
 +            std::cout << "\r" << std::setprecision(2) << std::fixed << num / 100.0; 
 +            if (num == 500) { 
 +                //reference time point 
 +                begin = std::chrono::steady_clock::now(); 
 +            } 
 +            if (num >= 500 && spacePressed) { 
 +                break; 
 +            } 
 +        } 
 + 
 +        //wait till space pressed 
 +        void *status; 
 +        pthread_join(keyThread, &status); 
 + 
 +        //calculate time diff 
 +        double deltaTime = (std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(keyTime - begin).count() - pcTimeDiff) * 1.0e-6; 
 +        deltaTimes.push_back(deltaTime); 
 + 
 +        std::cout << "\r" << 5 + deltaTime << std::endl; 
 + 
 +        //printout time diff 
 +        std::cout << "Time difference = " << deltaTime << " s" << std::endl; 
 +    } 
 + 
 +    //output writing 
 +    std::string deltaTimesStr = "reaction times in s\tmean absolute reaction time in s\n"; 
 +    for (int i = 0; i < deltaTimes.size(); i++) { 
 +        deltaTimesStr += std::to_string(deltaTimes[i]); 
 +        if (i == 0) { 
 +            deltaTimesStr += "\t"; 
 +            double sum = 0; 
 +            for (auto data : deltaTimes) { 
 +                sum += abs(data); 
 +            } 
 +            deltaTimesStr += std::to_string(sum / deltaTimes.size()); 
 +        } 
 +        deltaTimesStr += "\n"; 
 +    } 
 +    writeTextToCsv(deltaTimesStr, "reaction_times"); 
 +    return 0; 
 +} 
 +</code> 
 +Die Zeiten sind jeweils die Differenz zu 5s.
 ^ reaction times in s  ^ ^ reaction times in s  ^
-| 0.289312             | +| 0.083093             | 
-| 0.278342             | +| 0.051097             | 
-| -0.041890            | +| 0.495546             | 
-| 0.323285             | +| -0.103990            | 
-| 0.244339             | +| 0.066115             | 
-| 0.408660             | +| 0.020986             | 
-| 0.383394             | +| 0.252353             | 
-| 0.244376             | +| 0.217290             | 
-| 0.300455             | +| -0.103093            | 
-| 0.358280             | +| 0.183252             | 
-Durchschnitt der Absolutwerte der Reaktionszeiten = 0.29s+Aus den Mittelwerten der Absolutwerte ergibt sich hier also eine Unsicherheit von $u(T_5) = 0{,}16$ s. Damit erhalten wir eine Unsicherheit von $u(T) = 0{,}03$ s. 
 +=== Verschiedene Aufhängungen=== 
 +Im folgenden haben wir verschiedene Aufhängungen versucht und dabei Videos aufgenommen um ihr Drehverhalten zu überprüfen. 
 +Zuerst einmal das Video, in dem wir die Gitarrensaite verwendet haben. Die Saite, die hier verwendet wurde, ist nicht die Saite, welche zum Messen verwendet wurde. Sie dient lediglich zur Veranschaulichung: 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:draht.mp4 |}} 
 +Als nächstes haben wir einen dickeren Bindfaden verwendet. Beim ersten Video haben wir eine Startauslenkung angenommen: 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:dickerfadenauslenkungbesser.mp4 |}} 
 +Hier wurde wieder der dickere Bindfaden verwendet, nur das wir statt einer Startauslenkung dem Stab einen Impuls gegeben. 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:dickerfadenmitimpuls.mp4 |}} 
 +Nun haben wir einen dünnen Bindfaden verwendet. Hier mit einer Startauslenkung: 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:duennerbindfadennurstartauslenkung.mp4 |}} 
 +Hier wieder mit einem Startimpuls: 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:duennerbindfadenimp.mp4 |}} 
 +Als nächstes haben wir ein paar Gummibänder zerschnitten und diese zusammengeknotet und diese dann als Aufhängung verwendet. Hier mit einer Startauslenkung: 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:gummiband1.mp4 |}} 
 +Als letztes haben wir einen Schnürsenkel ausprobiert. Wieder mit einer Startauslenkung. 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:schnursenkel.mp4 |}} 
 + 
 +Näheres dazu im Bericht im Kapitel "Variation der Aufhängung". 
 +===Verschiedene Geometrien=== 
 +==Kugel== 
 +{{:a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:christbaumkugel.jpg?200|}} 
 +$\text{Umfang}=(18{,}5\pm0{,}3)\mathrm{cm},\ \text{Masse}=(7\pm0{,}5)\mathrm{g}$ 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:tmp_21032-20210119_1656451705789676.mp4 |}} 
 +Bei $L=(42\pm0{,}5)\mathrm{cm}$ wurde $T_5=3{,}19\mathrm{s}$ gemessen. Die Kugel ist leicht, der Draht war nicht ganz straff. 
 +==Quader== 
 +{{:a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:buch_-_quader.jpg?200|}} 
 +$\text{Höhe}=2{,}47\mathrm{cm}\pm0{,}1\mathrm{mm},\ \text{Breite}=11{,}8\mathrm{cm}\pm1\mathrm{mm},\ \text{Tiefe}=18{,}1\mathrm{cm}\pm1\mathrm{mm},\ \text{Masse}=(294\pm0{,}5)\mathrm{g}$. Höhe, Breite und Tiefe bezogen darauf, dass das Buch Plan auf dem Tisch liegt (im Bild anders). 
 +{{:a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:buch_drehpendel.jpg?200|}}Bei einer Drahtlänge von $(43\pm0{,}5)\mathrm{cm}$ wurde für fünf Perioden eine Dauer von $58{,}95\mathrm{s}$ gemessen. 
 +==Kugel mit Wasser gefüllt== 
 +{{ :a_mechanik:drehschwingungen:gruppenseiten:gruppe327:tmp_28268-20210121_1418291641067932.mp4 |}}