Die gleichförmige Kreisbewegung
Abschnitt 1:
Kreisbewegung mit konstanter Bahngeschwindigkeit
X-Y-Ebene mit konstanter Bahngeschwindigkeit "v".
Gleichförmig bedeutet, daß sich zwar der Betrag |v| der Geschwindigkeit nicht ändert, wohl aber seine Richtung. Ein Körper führt eine gleichförmige Kreisbewegung aus, wenn die Bahnkurve ein Kreis ist und der Betrag des Geschwindigkeitsvektors konstant ist.
Die Lage des Punktes "P" in der X-Y-Ebene ändert sich mit der Zeit "t". Dies kann man mit dem zu "P" zugehörigen Ortsvektor "r(t)" beschreiben.
Spaltet man "r(t)" in seine Komponenten, so ergibt sich folgendes:
rx(t)= r * cos(wt) * ex und
ry(t)= r * sin(wt) * ey
"ex" und "ey" haben jeweils die Länge 1 und stehen aufeinander orthogonal, daher heißen sie Einheitsnormalenvektoren. Omega ist die Kreisfrequenz, sie ist eine Konstante 1/Zeit.
Die oben genannten Gleichungen sind Parametergleichungen, eines Kreises mit dem Parameter "t". Daß diese beiden Gleichungen zusammen wirklich eine Kreisbahn beschreiben, sieht man, wenn man beide Gleichungen quadriert und anschließend addiert.
rx2(t)= r2 * cos2(wt) und
ry2(t)= r2 * sin2(wt)
rx2 + ry2 = r2(sin2(wt) + cos2(wt))
= 1
Die letzte Gleichung ist die Gleichung eines Kreises um den Koordinatenursprung mit Radius "r".
Wenn der Punkt "P" in der Zeit "t" die Kreisbahn n-mal durchläuft, sagt man er bewegt sich mit der Frequenz "f".
f = n/t
Die Einheit der Frequenz heißt Hertz (Hz)
Die Zeit die "P" für einen Umlauf benötigt heißt Umlaufdauer "T". Es gilt n = 1; darauf folgt:
t = 1/T
Die Komponenten der Bahngeschwindigkeit können in X- und in Y- Richtung getrennt berechnet werden, es gilt:
vx(t) = rx(t) = - r * w * sin( wt ) *ex
vy(t) = ry(t) = - r * w * cos( wt ) *ey
Die beiden oberen Gleichungen ergeben zusammen den Geschwindigkeitsvektor.
v(t) = vx(t) + vy(t) = - r * w * sin(wt)* ex + r * w cos(wt) * ey
Dies ist der Geschwindigkeitsvektor aus Gründen des Komforts verwenden wir aber nur den Betrag von "v".
Den Betrag der Bahngeschwindigkeit erhält man wieder durch Quadrieren und Addieren der beiden Gleichungen.
Unter weiterer Verarbeitung der Gleichung folgt die endgültige Formel:
"u" ist hier der Umfang der Kreisbahn. Diese Gleichung läßt sich für jeden Kreisbogenabschnitt Ds, der in der Zeit Dt durchlaufen wird verallgemeinern.
Bedeutet:
Da "r" immer in radiale Richtung zeigt, muß "v" immer in tangentielle Richtung zeigen, daraus folgt:
Der Geschwindigkeitsvektor "v" ist immer tangential zur Bahnkurve gerichtet.
Abschnitt 2:
Die Zentripetalbeschleunigung
Bei der
gleichförmigen Kreisbewegung ändert sich dauernd der
Bahngeschwindigkeitsvektor. Zwar ändert sich nicht sein Betrag, aber laufend
seine Richtung. Die Größe, die die Anderung der Geschwindigkeit beschreibt,
heißt Beschleunigung. Die Beschleunigung, die bei der gleichförmigen
Kreisbewegung andauernd eine Richtungsänderung der Bahngeschwindigkeit bewirkt,
heißt Zentripetalbeschleunigung a.
So wie man die Bahngeschwindigkeit abgeleitet hat, wird auch bei der Zentripetalbeschleunigung verfahren. Die Komponenten werden nach der Zeit abgeleitet:
Den Betrag der Zentripetalbeschleunigung az erhält man wieder, indem die Komponenten quadriert und addiert werden.
Die endgültige Gleichung der Zentripetalbeschleunigung lautet dann:
Die gleichförmige Bewegung ist eine beschleunigte Bewegung. In jedem Punkt der Kreisbewegung zeigt die Zentripetalbeschleunigung zum Kreismittelpunkt.
Abschnitt 3:
Die Zentripetalkraft
Wenn ein Körper beschleunigt wird, wirkt auf ihn eine
beschleunigte Kraft.
Es gilt:
Fz
ist die Zentripetalkraft
az ist die Zentripetalbeschleunigung
Die Zentripetalkraft hat die selbe Richtung, wie die Zentripetalbeschleunigung, nämlich immer genau zum Kreismittelpunkt.
Der Betrag der Zentripetalkraft lautet:
Fz = m w * r oder:
Ein Körper der Masse "m" mit einer Geschwindigkeit vom Betrag "v" wird von der Zentripetalkraft Fz auf eine Kreisbahn mit dem Radius "r" gezwungen.
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