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%% Cell type:markdown id:885c7767-e912-4e31-b5d6-3a3443ffa58e tags:
# Fakultät für Physik
## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-111, 112, 113 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-10](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
# Aeromechanik
%% Cell type:markdown id:6e7cb4cc-36a4-4f60-832b-5a0d9b171b22 tags:
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Gruppennummer: _____
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Betreuer: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Versuch durchgeführt am: __________________
%% Cell type:markdown id:3565bbb8-9f2c-452f-9090-d0bfda13e119 tags:
---
**Beanstandungen zu Protokoll Version _____:**
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
\end{split}
%\text{\vspace{10cm}}
\end{equation*}
<br>
Testiert am: __________________ Testat: __________________
%% Cell type:markdown id:4b5836a8-619b-4c6c-a566-bba7a4313f32 tags:
# Durchführung
%% Cell type:markdown id:2c2f4772-ce8f-40a6-9005-78e10fc4f8a9 tags:
**Detaillierte Hinweise zur Durchführung der Versuche finden Sie in der Datei [Aeromechanik_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/Aeromechanik_Hinweise.ipynb)**
%% Cell type:markdown id:adf238e6-5a0e-449a-acda-37a9eab56166 tags:
## Aufgabe 1: Bernoulli-Gleichung
**Die folgenden Versuche führen Sie im Zusammenhang mit der Vorbesprechung mit allen anderen Gruppen gemeinsam durch.**
%% Cell type:markdown id:6cd00192-0e55-438a-b5e4-700e5693291f tags:
### Aufgabe 1.1: Statischer und dynamischer Druck
Bestimmen Sie mit zwei verschiedenen Sonden den statischen und den dynamischen Druck im Luftstrom einer Düse bei Drehzahlen des Motors zur Erzeugung des Luftstroms von $f=1300$ und $2600\,\mathrm{U/min}$:
Bestimmen Sie den statischen und den dynamischen Druck im Luftstrom einer Düse bei Drehzahlen des Motors zur Erzeugung des Luftstroms von $f=2600\,\mathrm{U/min}$:
* Mit einer **Rohrsonde**.
* Mit einer **Scheibensonde**.
---
%% Cell type:markdown id:a5d840ee-01d0-4562-b389-1067c622cb40 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:6d254739-c320-4fa8-9dbb-955dcb6f6e76 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
---
%% Cell type:markdown id:1cf505e9-5042-4c59-a5c7-aa32907791b5 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:20887c3e-9c2e-4cf2-918e-c6091ec8f900 tags:
### Aufgabe 1.2: Venturirohr
Beobachten und skizzieren Sie den **Verlauf des statischen Drucks** längs des Luftstroms im Venturirohr.
---
%% Cell type:markdown id:af58cd68-314f-4e94-b2c7-2d40c3e273df tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:2c6e6dd8-bcfa-407c-b07e-3bb7dcf8f358 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:40bfc482-5af2-4420-b5d0-1e6e92aa1607 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:97b7053b-f7c8-471f-bd76-01bb183198e0 tags:
### Aufgabe 1.3: Aerodynamisches Paradoxon
Lassen Sie Druckluft axial zentrisch zwischen zwei eng aneinanderliegenden Kreisscheiben einströmen, so dass sie radial nach außen entweicht und erklären Sie Ihre Beobachtung.
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%% Cell type:markdown id:670ccfe4-8177-45ed-8d09-569b54a0d59a tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:ec115e19-aff5-44ec-9746-f04f9246c1e2 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:3526d1b3-4db3-4608-b3a8-69055dc80e2f tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:de3d08da-7ff9-4dae-ab9c-dd6fe791e95b tags:
## Aufgabe 2: Charakterisierung des Luftstroms
%% Cell type:markdown id:656420b1-cae2-44bf-b08a-7847276f8fc8 tags:
### Aufgabe 2.1: Geschwindigkeitfeld
Charakterisieren Sie das **Geschwindigkeitsfeld $v(r)$ des Luftstroms** für eine Drehzahl des Motors zur Erzeugung des Luftstrahls von $f=2600\,\mathrm{U/min}$.
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%% Cell type:markdown id:d5211a23-2dcd-407a-a3ca-d75749655539 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:c292d9ca-11e7-4e75-a687-067d52dc23bb tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:c233f955-a96e-497d-89ba-88191e194def tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:d3dda936-f113-45ca-87bf-3bfe51644ad7 tags:
### Aufgabe 2.2: Kalibration des Motors zur Erzeugung des Luftstroms
Bestimmen Sie einen Zusammenhang zwischen Drehzahl des Motors zur Erzeugung des Luftstrahls und $v(d, r)$.
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%% Cell type:markdown id:f6773107-d596-42d5-9194-37bb5b22be41 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:d02ebf17-97f8-438b-b221-b0226c775785 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:a798bf66-7008-4eb9-993e-6868389f0d13 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:feca48b4-4bfe-4fef-a577-27dc1f8fe1ac tags:
## Aufgabe 3: Strömungswiderstand
%% Cell type:markdown id:81728adc-faef-411b-94e7-1f0efdcee00f tags:
### Aufgabe 3.1: Abhängigkeit von der Stirnfläche
Messen Sie bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit $v_{s}$ (entsprechend $f=2600\,\mathrm{U/min}$) den **Strömungswiderstand $F_{W}$ von drei Kreisscheiben** mit unterschiedlichen Radien $r_{i}$ und überprüfen Sie die Abhängigkeit von $F_{W}$ von der Fläche der Kreisscheiben.
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%% Cell type:markdown id:77d2cb91-0b79-4856-984e-558bf978671e tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:1bfc8093-d438-45b4-a19b-46c9bfb383fb tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:97deef39-6ccc-4db6-8ce0-21f14e0f5a2e tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:615aac0f-25ed-4fb8-9a5c-77c11c6c1036 tags:
### Aufgabe 3.2: Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Luftstroms
Messen Sie für **eine oder zwei Kreisscheiben Ihrer Wahl** $F_{W}$ in Abhängigkeit von $v_{s}$.
---
%% Cell type:markdown id:19764f8d-6370-41f5-aaed-e1433d41d7ea tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:d4584713-251b-44ab-b5a3-5eef6ee5ad9c tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:d2f10141-828a-4fbe-83f0-0d0ea90f8fe0 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:44dd4e62-90df-4b5d-83f5-7564c1b22df9 tags:
### Aufgabe 3.3: Abhängigkeit von der Körperform
Messen Sie nun bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit $v_{s}$ (entsprechend $f=2600\,\mathrm{U/min}$) den **Strömungswiderstand $F_{W}$ von mindestens 2 der folgenden Körper**, die am Versuch ausliegen:
* Kugel,
* Halbkugel (die Messung ist hier in zwei Richtungen möglich!),
* Stromlinienkörper.
Sie können sich die Richtung, in der Sie den ausgewählten Körper umströmen lassen aussuchen.
---
%% Cell type:markdown id:a8110650-83de-4c28-95a5-fb692aabdd33 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:81a02989-928f-4627-9411-fb247a717501 tags:
**L Ö S U N G**
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%% Cell type:markdown id:a9faea00-ce2c-4f89-a521-6d1d2cac448c tags:
**D I S K U S S I O N**
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%% Cell type:markdown id:3dcd6b88-bae9-44d4-b6e3-b1da4ddc7176 tags:
## Aufgabe 4: Auftrieb
%% Cell type:markdown id:de3b3aae-7e7c-44c9-abdd-8c0c43c8c7f0 tags:
### Aufgabe 4.1: Polardiagramm
* Messen Sie bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit $v_{s}$ (entsprechend $f=2600\,\mathrm{U/min}$) den **Auftrieb und den Strömungswiderstand eines am Versuch ausliegenden Tragflügelmodells** als Funktion des Anstellwinkels $\alpha$ und bestimmen Sie daraus das **Polardiagramm**.
* Bestimmen Sie die größte **Gleitzahl $E_{\mathrm{max}}$ und den sich daraus ergebenden nstigsten Gleitwinkel $\alpha_{\mathrm{max}}$**.
* Bestimmen Sie die größte **Gleitzahl $E_{\mathrm{max}}$ und den dazugehörigen optimalen Anstellwinkel $\alpha_{\mathrm{max}}$**.
---
%% Cell type:markdown id:ee0aad16-80d6-4e5a-a1dc-a584c817720e tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:bb271abc-21b5-4e65-9069-732397cc9ec0 tags:
**L Ö S U N G**
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%% Cell type:markdown id:071af68d-6570-43af-a947-a54b9b45ec3e tags:
**D I S K U S S I O N**
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%% Cell type:markdown id:6f4aa669-45c2-4ee5-84ca-adcaa1b9dd56 tags:
### Aufgabe 4.2: Druckprofil
Messen Sie bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit $v_{s}$ (entsprechend $f=2600\,\mathrm{U/min}$) den Druck an den Messstellen des am Versuch ausliegenden Tragflächenmodells für die Anstellwinkel $\alpha_{\pm}=\pm20^{\circ}$, sowie für den in **Aufgabe 4.1** bestimmten günstigsten Gleitwinkel $\alpha_{\mathrm{max}}$.
Messen Sie bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit $v_{s}$ (entsprechend $f=2600\,\mathrm{U/min}$) den Druck an den Messstellen des am Versuch ausliegenden Tragflächenmodells für die Anstellwinkel $\alpha_{i}=-20^{\circ},\,0^{\circ},\,+20^{\circ}$.
---
%% Cell type:markdown id:129f677e-b5de-4534-bb91-31cd1f9a2a07 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:c24c5979-3413-4d9b-833d-13e3cb7800f3 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:49e74e25-8555-4430-81e0-61bd0d31e112 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:f32d0de1-eef2-41cb-aeb0-3bdb30213988 tags:
# Beurteilung
%% Cell type:markdown id:af348773-3ad3-4a87-a1db-0ccc611f883d tags:
* Nach Abschluss des Versuchs haben Sie die Möglichkeit diesen Versuch individuell zu beurteilen.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link](https://www.empirio.de/s/tYVstb2b5V)**.
* Beachten Sie, dass jede:r Studierende nur einmal pro Versuch eine Beurteilung abgeben kann.
* Wir empfehlen die Beurteilung nach der Besprechung Ihrer Versuchsauswertung mit Ihrem:r Tutor:in auszufüllen.
......
%% Cell type:markdown id:0202679b-409b-468a-b0b5-a47dffaa9d86 tags:
# Hinweise zum Versuch Aeromechanik
%% Cell type:markdown id:be8ec8ba-1984-48c2-a49f-ef2b303fad67 tags:
## Aufgabe 1: Bernoulli-Gleichung
%% Cell type:markdown id:e302b387-cd10-44b6-9a36-bf14a6cc9b3d tags:
### Aufgabe 1.1: Statischer und dynamischer Druck
%% Cell type:markdown id:ad3f28f8-e664-4158-8156-d8e57440fd52 tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Bringen Sie den Motor mit Düse (D) zur Erzeugung des Luftstroms (LS) auf die vorgegebene **Drehzahl von $f=1300$ bzw. $2600\,\mathrm{U/min}$**.
* Bringen Sie den Motor mit Düse (D) zur Erzeugung des Luftstroms (LS) auf die vorgegebene **Drehzahl von $f=2600\,\mathrm{U/min}$**.
* Verbinden Sie die Sonde (S) mit dem Feinmanometer (FM).
* Bringen Sie S im Abstand von $d=10\,\mathrm{cm}$ vom Ausgang von D axial (d.h. im Radius $r=0$) parallel in den LS ein, um den Gesamtdruck $p_{0}$ zu messen.
* Drehen Sie die Sonde daraufhin um $\Delta\varphi=90^{\circ}$, um den statischen Druck $p_{s}$ zu messen. Achten Sie darauf, dass sich der Druckpunkt von S immernoch im Punkt $(d=10\,\mathrm{cm}, r=0)$ befindet.
* Um $p_{0}$ und $p_{s}$ zuverlässig messen zu können muss S so exakt wie möglich **parallel oder senkrecht** zum LS ausgerichtet sein. Überprüfen Sie die Auswirkung $\Delta p_{i}(\varphi)$ einer ungenauen Bestimmung des Winkels $\varphi$ auf die Druckmessung.
* Nehmen Sie diese Messungen sowohl für die **Rohrsonde** als auch für die **Scheibensonde** vor.
* **Protokollieren Sie**:
* Ihr Vorgehen bei der Messung.
* Die Werte $p_{0}\pm\Delta p _{0}$ und $p_{s}\pm\Delta p _{s}$.
* Die Unsicherheiten sollten den Ablesefehler am FM und die Unsicherheit $\Delta p_{i}(\varphi)$ repäsentieren.
* Bestimmen Sie aus den gemessenen Werten den dynamischen Druck $p_{d}$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Diskutieren und Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Druck](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Druck.md).
---
%% Cell type:markdown id:20887c3e-9c2e-4cf2-918e-c6091ec8f900 tags:
### Aufgabe 1.2: Venturirohr
%% Cell type:markdown id:11585d55-0f47-40ba-8c73-5137c7e8e9a0 tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Montieren Sie das Venturirohr (VR) vor D. Am VR befinden sich an acht Stellen Flüssigkeitsmanometer.
* Schätzen Sie die **Durchmesser $d_{j}$ an den Enden und in der Mitte** des VR ab.
* Schätzen Sie die **Abstände der Messpunkte** ab.
* Bestimmen Sie daraus die **Querschnittsflächen $A_{i}$** des VR in den Messpunkten.
* Kontrollieren Sie die Höhen $\Delta h_{i}$ der Flüssigkeitssäulen ohne LS.
* Erhöhen Sie dann die Drehzahl des Motors auf $f=1300\,\mathrm{U/min}$.
* **Protokollieren Sie**:
* Die Messanordnung (mit Bild oder Skizze).
* Ihre **Beobachtung der Manometer**, während Sie die Drehzahl des Motors erhöhen.
* Die $\Delta h_{i}$ nach erreichen der endgültigen Umdrehungszahl.
* Stellen Sie die $\Delta h_{i}$ als Funktion der $A_{i}$ geeignet dar.
* Passen Sie an die Darstellung ein geeignetes Modell an und **überprüfen Sie Ihre Erwartung**. Diese kommt durch das angepasste Modell zum Ausdruck. Sie können Sie quantitativ auf Basis des **$\chi^{2}$-Werts der Anpassung** überprüfen. Hierfür benötigen Sie Abschätzungen sowohl für die $\Delta h_{i}$, als auch für die $A_{i}$. Es macht nichts, wenn diese Abschätzungen grob sind, solange sie realistisch sind.
* Diskutieren und Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse.
**Studierende mit Nebenfach Physik und Lehramtstudierende:**
* Für Sie genügt eine qualitative Beschreibung Ihrer Beoachtungen mit Erklärung.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Venturi](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Venturi.md).
---
%% Cell type:markdown id:b2458c0b-f451-4aee-ac51-226720aec26a tags:
### Aufgabe 1.3: Aerodynamisches Paradoxon
%% Cell type:markdown id:67e3d66a-3c09-4413-9aac-d9cac19a0ae8 tags:
* Protokollieren Sie Ihre Beobachtung und erklären Sie was Sie sehen.
* Fügen Sie Ihrem Protokoll eine **Skizze der Versuchsanordnung** bei anhand derer Sie Ihre Beobachtungen erklären.
---
Weitere Ausführungen zu dieser Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Paradoxon](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Paradoxon.md).
---
%% Cell type:markdown id:4479c563-4f3a-401b-99b6-bc5052690210 tags:
## Aufgabe 2: Charakterisierung des Luftstroms
%% Cell type:markdown id:9f4c853e-9c68-4f8b-9917-8eaccbac9616 tags:
### Aufgabe 2.1: Geschwindigkeitfeld
%% Cell type:markdown id:a1b0dda9-c8e6-4bd8-8c58-4ae7dabdc0de tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Verwenden Sie eine **Sonde Ihrer Wahl** und gehen Sie zur Ausmessung von $v(r,d)$ wie in **Aufgabe 1.1** vor.
* Sie dürfen voraussetzen, dass das Geschwindigkeitsfeld $\vec{v}(\vec{r})$ **rotationssymmetrisch und $\hat{v}$ entlang der Symmetrieachse des Luftstroms ausgerichtet** ist. Es genügt also $v(r,d)$ entlang der horizontalen Symmetrieachse $\hat{y}$ des Luftstroms zu bestimmen.
* Um ein **aussagekräftiges Geschwindigkeitsprofil** zu erhalten sollten Sie $v(r)$ für eine ausreichende Anzahl an Punkten ausmessen. Wir schlagen z.B. die folgenden Werte vor:
* Für die Abstände zu D: $d_{i}=5,\,10,\,15,\,20,\,30\,\mathrm{cm}$.
* Für die Radien: $r=0.0,\,1.0,\,2.0,\,3.0,\,3.5,\,4.0,\,5.0\,\mathrm{cm}$.
* Messen Sie $v(r,d)$ in beiden Richtungen entlang der $y$-Achse aus ($y=\pm r$).
* Es stimmt, dass es sich hierbei um viele Messpunkte handelt. Ohne eine geeignete Anzahl sorgfältig aufgenommener Messpunkte macht die Charakterisierung von $v(r,d)$ allerdings nur wenig Sinn. **Nehmen Sie sich die Zeit** sorfältig vorzugehen.
* **Protokollieren Sie**:
* Alle Wertepaare $(p_{0,i}, p_{s,i})$.
* Bestimmen Sie daraus $v(r,d)$.
* Schätzen Sie geeignete allgemeine Unsicherheiten auf die von Ihnen aufgezeichneten Werte ab und halten Sie diese in ihrem Protokoll fest.
* Stellen $v(r,d)$ geeignet dar. Wir empfehlen zwei Darstellungen:
* i) Eine Schar von fünf Kurven $v(r|d_{i})$ und
* ii) eine dreidimensionale Darstellung mit $d$ auf der $x$-, $r$ auf der $y$- und $v(r,d)$ auf der $z$-Achse.
* **Legen Sie einen geeigneten Punkt $(r^{*},d^{*})$ in dem Bereich fest, wo $v(r,d)$ in etwa als konstsant genommen werden kann**, um dort die Messungen der folgenden Aufgaben durchzufüren.
**Studierende mit Nebenfach Physik und Lehramtstudierende:**
* Für Sie reicht es weniger Messpunkte aufzunehmen. Wir schlagen z.B. die folgenden Werte vor:
* Für die Abstände zu D: $d_{i}=10,\,20,\,30\,\mathrm{cm}$.
* Für die Radien: $r=0.0,\,1.0,\,2.0,\,3.0\,\mathrm{cm}$.
* Messen Sie $v(r,d)$ in beiden Richtungen entlang der $y$-Achse aus ($y=\pm r$).
* Dabei geht es für Sie in erster Linie darum den Punkt $(r^{*},d^{*})$ zu bestimmen.
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Druck](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Druck.md).
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### Aufgabe 2.2: Kalibration des Motors zur Erzeugung des Luftstroms
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Für einige der folgenden Aufgaben ist es notwendig, **$v(r,d)$ in Abhängigkeit der Drehzahl $f$** des Motors zur Erzeugung des LS zu kennen. Unter Annahme, dass sich $v(r,d)$ als Funktion von $|v|$ nicht ändert, genügt es diese Kalibration für den Punkt $v^{*}\equiv v(r^{*},d^{*})$ vorzunehmen.
Gehen Sie hierzu wie folgt vor:
* Gehen Sie zur Messung von $v^{*}(f)$ wie in **Aufgabe 2.1** vor.
* **Positionieren Sie** S hierzu am Punkt $(r^{*},d^{*})$.
* Bestimmen Sie $v^{*}$ für Werte der Drehzahl von $f_{i}=600$ bis $2600\,\mathrm{U/min}$ in Schritten von $\Delta f\approx200\,\mathrm{U/min}$ (11 Messpunkte).
* **Protokollieren Sie**:
* Ihr Vorgehen für die Messung.
* Alle Wertepaare $(v^{*}_{i},f_{i})$. Schätzen Sie entsprechende Unsicherheiten auf die verwendeten Werte ab.
* **Stellen Sie die Datenpunkte geeignet dar** und passen Sie ein geeignetes Modell an die Daten an.
* Diskutieren Sie die **Güte der Anpassung** mit Hilfe des $\chi^{2}$-Werts der Anpassung. Diese erlaubt Ihnen Rückschlüsse auf die Anwendbarkeit des zugrundegelegten Modells.
* Die resultierenden **Parameter Ihres Modells** einschließlich Unsicherheiten aus der Anpassung.
* **Diese Kalibrationskonstanten sind das Ziel Ihrer Messungen aus Aufgabe 2**!
**Studierende mit Nebenfach Physik und Lehramtstudierende können in Schritten von $\Delta f\approx400\,\mathrm{U/min}$ vorgehen.**
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Druck](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Druck.md).
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## Aufgabe 3: Strömungswiderstand
%% Cell type:markdown id:4cc21901-e400-4d0b-849a-00e64de3364f tags:
### Aufgabe 3.1: Abhängigkeit von der Stirnfläche
%% Cell type:markdown id:9c679ce8-461f-4585-a7fe-f5c9466a0f6c tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Gehen Sie zur Messung von $v^{*}$ wie in **Aufgabe 2.1** vor.
* **Montieren Sie die Kreisscheiben**, mit Hilfe der bereitliegenden Halterung, am Punkt $(r^{*},d^{*})$.
* Verbinden Sie die Scheiben mit Hilfe einer Schnur mit dem bereitstehenden **Sektorkraftmesser (SKM)**.
* Achten Sie dabei auf die folgenden Punkte:
* Die Schnur sollte **straff gespannt** sein, jedoch keinen sichtbaren Ausschlag am SKM erzeugen.
* Sie können die Wirkung der Spannung der Schnur auf den SKM ansonsten bei der späteren Auswertung der Daten zusätzlich im Modell berücksichtigen.
* Da mit dem SKM die Kraft $F_{W}$ aus einem Drehmoment abgeleitet wird muss die Schnur **in einem Winkel von $90^{\circ}$** am SKM angreifen. Sie erreichen dies am einfachsten, wenn Sie die Schnur einmal um die Halterung am Kraftmesser herumgewickeln, bevor Sie sie am Messwagen befestigen.
* Da mit dem SKM die Kraft $F_{W}$ aus einem Drehmoment abgeleitet wird muss die Schnur **in einem Winkel von $90^{\circ}$** am SKM angreifen. Sie erreichen dies am einfachsten, indem Sie die Schnur einmal um die Halterung am Kraftmesser herumgewickeln, bevor Sie sie am Messwagen befestigen.
* Überprüfen Sie mit Hilfe einer Leermessung den **zusätzlichen Strömungswiderstand der Halterung** und korrigieren Sie diesen gegebenenfalls in Ihrer Auswertung.
* **Protokollieren Sie**:
* Eine Beschreibung der Anordnung (mit Skizze einschließlich SKM und Schnur!).
* Alle Wertepaare $(F_{W,i}, A_{i})$.
* Den eingestellten Wert für $f$ und die daraus ermittelte Geschwindigkeit $v_{s}$.
* Letzere können Sie aus Ihren Ergebnissen von **Aufgabe 2.2** bestimmen.
* Geben Sie für alle numerischen Werte entsprechende Unsicherheiten an.
* Stellen $F_{W}$ als Funktion von $A$ geeignet dar und passen Sie ein geeignetes Modell an die Daten an.
* Diskutieren Sie die Anwendbarkeit des Modells auf Grundlage des $\chi^{2}$-Werts der Anpassung.
* Geben Sie einen Wert für den **Luftwiderstandsbeiwert $c_{W}$ einer Kreisscheibe** mit entsprechenden Unsicherheiten an.
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-cW](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-cW.md).
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### Aufgabe 3.2: Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Luftstroms
%% Cell type:markdown id:34249934-9c36-43bb-a9ac-eff46803cced tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Gehen Sie zur Messung von $v^{*}$ und $F_{W}$ wie für **Aufgabe 3.1** vor.
* Erhöhen Sie $f$ in Schritten von $\Delta f\approx200\,\mathrm{U/min}$ und bestimmen Sie $F_{W}$ (**Studierende mit Nebenfach Physik und Lehramtstudierende sind an dieser Stelle gebeten ebenfalls 11 Messpunkte aufzunehmen**).
* **Protokollieren Sie**:
* Eine Beschreibung der Anordnung.
* Alle Wertepaare $(F_{W,i}, f_{i})$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Kalibieren Sie Ihre Werte für $f_{i}$ auf die entsprechenden Geschwindigkeiten $v_{s,i}$ (gehen Sie hierzu wie für **Aufgabe 3.1** vor).
* Stellen Sie $F_{W}$ als Funktion von $v_{s}$ geeignet dar und passen Sie ein geeignetes Modell an die Daten an.
* Diskutieren Sie die Anwendbarkeit des Modells auf Grundlage des $\chi^{2}$-Werts der Anpassung.
* Geben Sie einen Wert für den **Luftwiderstandsbeiwert $c_{W}$ einer Kreisscheibe** mit entsprechenden Unsicherheiten an.
* Mit den Ergebnissen der Aufgaben 2 und 3 haben Sie das Modell des Strömungswiderstands ausgedehnter Körper überprüft!
**Studierende mit Hauptfachphysik haben hier die Möglichkeit ihr gesamtes den Aufgaben 2 und 3 zugrunde gelegtes Modell einem strengen Test zu unterziehen und daraus einen Wert für $c_{W}$ mit maximal möglicher Präzision zu bestimmen.** Sie erreichen dies, indem sie alle aufgezeichneten Datenpunkte in die Anpassung mit einbeziehen:
* Die Messungen zur Kalibration von $v_{s}$ aus **Aufgabe 2.2** mit entsprechendem Modell;
* Die Messungen mit variierender Scheibenfläche aus **Aufgabe 3.1** mit entsprechendem Modell;
* Die Messungen für beide Scheibenflächen mit variierenden Werten von $v_{s}$ aus **Aufgabe 3.2** mit entsprechendem Modell.
* Die Messungen für die verwendete(n) Scheibenfläche(n) mit variierenden Werten von $v_{s}$ aus **dieser Aufgabe** mit entsprechendem Modell.
Verwenden Sie hierzu die Möglichkeit zu einem Multifit wie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/tools/kafe2_example_MultiFit.ipynb) erklärt.
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-cW](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-cW.md).
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%% Cell type:markdown id:7b4b2c71-110b-4426-a88a-d4b1851897c8 tags:
### Aufgabe 3.3: Rücktrieb und Körperform
%% Cell type:markdown id:4af8475d-1900-413e-98f6-713dbd8520d3 tags:
* Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie für **Aufgabe 3.1** vor.
* Je nachdem, welchen Körper Sie auswählen kann es sein, dass der Messwagen kippt. Für diesen Fall liegt ein **Gegengewicht** an Ihrem Versuchsplatz bereit.
* **Protokollieren Sie** die von Ihnen bestimmten Werte für $c_{W}$.
* Sie können sich die Richtung, in der Sie die ausgewählten Köper umströmen lassen aussuchen. **Protokollieren Sie aber Ihre Wahl!**
**Wer möchte darf zusätzlich den $c_{W}$-Wert eines (mitgebrachten) Spielzeugautos oder anderweitigen Objekts bestimmen und ggf. mit den $c_{W}$-Werten realer Objekte vergleichen.**
**Wenn Sie möchten können Sie zusätzlich den $c_{W}$-Wert eines (mitgebrachten) Spielzeugautos oder anderweitigen Objekts bestimmen und ggf. mit den $c_{W}$-Werten realer Objekte vergleichen. Vergessen Sie in diesem Fall jedoch nicht, dass Sie die auch Querschnittsfläche des Objekts abschätzen müssen.**
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-cW](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-cW.md).
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%% Cell type:markdown id:ec810338-56f4-4ee5-ba30-7fb4dc50ae95 tags:
## Aufgabe 4: Auftrieb
%% Cell type:markdown id:9809eaf7-4d80-4ae9-9cc1-04e00c3a53c0 tags:
### Aufgabe 4.1: Polardiagramm
%% Cell type:markdown id:88ffd2de-7061-4086-a46f-1e78c8b92b89 tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Installieren Sie **Auftriebswaage und Tragfläche** im LS.
* Gehen Sie zur Messung von $F_{W}$ wie für **Aufgabe 3.1** vor, $F_{A}$ bestimmen Sie mit Hilfe der Auftriebswaage.
* Variieren Sie den **Anstellwinkel $\alpha$** im Bereich $-20^{\circ}\leq\alpha\leq20^{\circ}$ in Schritten von $\Delta\alpha = 5^{\circ}$ (neun Datenpunkte).
* Variieren Sie den **Anstellwinkel $\alpha$** im Bereich $-8^{\circ}\leq\alpha\leq20^{\circ}$ in Schritten von $\Delta\alpha = 4^{\circ}$ (acht Datenpunkte).
* **Protokollieren Sie**:
* Den Messaufbau (mit Skizze!).
* Den Versuchsablauf.
* Den verwendeten Wert für $v_{s}$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Die Werte $(\alpha_{i}, F_{W,i}, F_{A,i})$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Stellen Sie die Wertepaare $(\alpha_{i},F_{W,i})$ und $(\alpha_{i},F_{A,i})$ jeweils in einem Diagramm dar.
* Stellen Sie die Wertepaare $(F_{W,i},F_{A,i})$ bei jeweils vorgegebenem $\alpha_{i}$ in einem **Polardiagramm** dar. Dieses sollte den Ursprung $(0,0)$ enthalten.
* Bestimmen Sie das **Gleitverhältnis $E$** als Funktion von $\alpha$, mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Fügen Sie Ihrem Polardiagramm den **Polstrahl für das höchste Gleitverhältnis $E_{\mathrm{max}}$** zu.
* Das Wertepaar $(\alpha_{\mathrm{max}},E_{\mathrm{max}})$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Tragflaeche](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Tragflaeche.md).
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%% Cell type:markdown id:8ed4f68a-3bf5-4f4b-83d4-0e4c9fe0aa90 tags:
### Aufgabe 4.2: Druckprofil
%% Cell type:markdown id:4ac238f4-c2f4-41fd-b0f0-815da38cc19f tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Das Tragflächenmodells besitzt **neun Bohrungen** an denen Sie das FM von innen anschließen können.
* Bestimmen Sie $p_{s}$ an jeder Bohrung.
* **Protokollieren Sie**:
* Die Werte $p_{s}$ mit entsprechenden Unsicherheiten.
* Tragen Sie zur Veranschaulichung lotrechte Pfeile der Länge $\propto p_{s,i}$ an den entsprechenden Bohrungen im [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/figures/wing_profile.png) hinterlegten Tragflächenprofil ein. Ein Beipiel, wie Sie dies mit Hilfe der python Bibliothek *matplotlib* erreichen können finden Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/tools/wing_profile.ipynb).
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Druck](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Aeromechanik/doc/Hinweise-Druck.md).
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## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-23, 24, 25 (Stand: Oktober 2023)
Versuch P1-111, 112, 113 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-10](https://labs.physik.kit.edu/img/Praktikum/Lageplan_P1.png)
[Raum F1-10](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
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  • 2-up
  • Swipe
  • Onion skin
%% Cell type:markdown id:885c7767-e912-4e31-b5d6-3a3443ffa58e tags:
# Fakultät für Physik
## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-101, 102, 103 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-19](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
# Elastizität
%% Cell type:markdown id:475c1f2e-fb7c-4348-b0ad-3062d6d41520 tags:
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
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\end{split}
\end{equation*}
Gruppennummer: _____
\begin{equation*}
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&\\
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\end{equation*}
Betreuer: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
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&\\
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\end{split}
\end{equation*}
Versuch durchgeführt am: __________________
%% Cell type:markdown id:961513c5-255d-4d86-9f78-80610a82f07f tags:
---
**Beanstandungen zu Protokoll Version _____:**
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
\end{split}
%\text{\vspace{10cm}}
\end{equation*}
<br>
Testiert am: __________________ Testat: __________________
%% Cell type:markdown id:a6f09ffe-da6c-4685-ae44-c622ec40e56b tags:
# Durchführung
%% Cell type:markdown id:7d32ab1d-1356-4a88-b7bd-17d3d6f7537e tags:
**Detaillierte Hinweise zur Durchführung der Versuche finden Sie in der Datei [Elastizitaet_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elastizitaet/Elastizitaet_Hinweise.ipynb)**
%% Cell type:markdown id:59a24234-f914-4ba1-a5f1-66ae8a5dc359 tags:
## Aufgabe 1: Elastizitätsmoduls aus der Biegung flacher Balken
Bestimmen Sie den Elastizitätsmodul $E$ aus der Biegung eines flachen Balkens als Funktion der Kraft $F_{g}$ in der Mitte des Balkens angehängter Gewichte, **für drei der vier Materialien**:
* Messing,
* Aluminium,
* Kupfer,
* Edelstahl.
**Zur Bearbeitung dieser Aufgabe können Sie eine der Teilaufgaben 1.1 oder 1.2 auswählen. Die jeweils andere Teilaufgabe müssen Sie daraufhin nicht bearbeiten.**
%% Cell type:markdown id:263ba9c6-f6e8-425f-9d45-fcf283aa8fc8 tags:
### Aufgabe 1.1: Messuhr
Bestimmen Sie die Biegung des Balkens aus der Strecke $s_{\mathrm{max}}$ in der Mitte des Balkens zwischen belastetem und unbelastetem Zustand, mit Hilfe einer mechanischen Messuhr.
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%% Cell type:markdown id:c5edafa2-3c6b-43bc-82b0-bc655e88d25f tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:8dccc922-d7c5-4273-a9f0-21338702feb4 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
---
%% Cell type:markdown id:efd8e12c-a080-48dc-8841-90d0e129f538 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:20887c3e-9c2e-4cf2-918e-c6091ec8f900 tags:
### Aufgabe 1.2: Spiegelsystem
Bestimmmen Sie die Biegung des Balkens aus dem Versatz $\delta$ eines Positionslasers, der über zwei Spiegel an den Enden des Balkens geleitet wird.
---
%% Cell type:markdown id:de48450f-28e6-411f-b53f-68fe97aff9a0 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:2a671784-8c8a-42bd-95b3-eeaad4470782 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:db156447-3d3f-40d4-900f-49d998664d05 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:97b7053b-f7c8-471f-bd76-01bb183198e0 tags:
## Aufgabe 2: Elastizitätsmodul aus der Schallgeschwindigkeit
* Bestimmen Sie $E$ aus der Geschwindigkeit $v_{s}$ eines lokalisierten Verdichtungsstoßes an der Stirnfläche eines Stabs.
* Verwenden Sie hierzu die gleichen Materialien, die Sie für **Aufgabe 1** ausgewählt haben, um die erzielten Ergebnisse vergleichen zu können.
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%% Cell type:markdown id:2193cd10-f66a-45f0-8893-32543f288e9c tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:2437cb1f-e305-459e-aaeb-1ba8ebe83f52 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:b85f7d0b-1ae2-4a76-a77d-34c1fafe9721 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:66f60b58-6aac-4a8b-bb6a-adad17f3c95a tags:
## Aufgabe 3: Torsionsmodul
* Bestimmen Sie für eines der zur Verfügung stehenden Materialien den Torsionmodul $G$ aus der Schwingungsdauer $T$ geeignet angeregter Torsionsschwingungen.
* Hierzu stehen Ihnen die folgenden Materialien zur Verfügung:
* Messing,
* Aluminium.
---
%% Cell type:markdown id:aaacbb0e-9ef5-4e54-9015-b40266a01bf2 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:6778bb25-44fe-4ef3-9338-f4e8d8b5a317 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
---
%% Cell type:markdown id:fd0c95b3-f5fb-48f9-9c28-121a3010a159 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:1362ae36-8863-4ee0-a02f-53eeb0a1e161 tags:
# Beurteilung
%% Cell type:markdown id:1c9e76a0-721f-4745-ab5b-c9940b7ad308 tags:
* Nach Abschluss des Versuchs haben Sie die Möglichkeit diesen Versuch individuell zu beurteilen.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link](https://www.empirio.de/s/3m0RZlZVWx)**.
* Beachten Sie, dass jede:r Studierende nur einmal pro Versuch eine Beurteilung abgeben kann.
* Wir empfehlen die Beurteilung nach der Besprechung Ihrer Versuchsauswertung mit Ihrem:r Tutor:in auszufüllen.
......
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## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-11, 12, 13 (Stand: September 2024)
Versuch P1-101, 102, 103 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-19](https://labs.physik.kit.edu/img/Praktikum/Lageplan_P1.png)
[Raum F1-19](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
......
%% Cell type:markdown id:0ed58416-7972-4ef1-9b76-c3a2842ac14b tags:
# Hinweise zum Versuch Elektrische Messverfahren
%% Cell type:markdown id:96ca407c-799d-4a17-8cfb-fc6214f9ae9f tags:
## Aufgabe 1: Ohmscher Widerstand in Netzwerken
%% Cell type:markdown id:62ec7620-d76e-42a8-bec0-94f9903f3d0a tags:
### Aufgabe 1.1: Innenwiderstände elektrischer Messgeräte
%% Cell type:markdown id:2eb64c6a-c042-4038-ab5b-844b579366b0 tags:
Gehen Sie zur Messung der Innenwiderstände ($R_{A}$) des Strommessgeräts (A) und ($R_{V}$) der Spannungsmessgeräte (V1 und V2), für diesen Versuch, wie folgt vor:
* Schließen Sie A in Reihe mit
* einem festen $R_{2}=1\ \mathrm{k\Omega}$-Widerstand;
* dem Potentiometer P bestehend aus einem regelbaren $R_{1}=10\ \mathrm{k\Omega}$-Widerstand; und
* der Spannungsquelle für $U_{0}=6\ \mathrm{V}$ Gleichspannung, wie in [**Abbildung 1** links hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Messgeraete.md) gezeigt.
* Stellen Sie P so ein, dass A einen Strom von $I_{A}=1\ \mathrm{mA}$ anzeigt.
* Fügen Sie dann V1/V2 parallel zu A in den Schaltkreis ein.
* **Protokollieren** Sie:
* Den Aufbau der Schaltung in eigenen Worten (mit Skizze!).
* Ihre Beobachtung nach Parallelschaltung von V1/V2.
* Den Wert von $U_{0}$.
* Die Werte des an A gemessenen Stroms ($I_{0}$) ohne und ($I_{A}$) mit V1/V2 im Schaltkreis.
* Die mit V1/V2 gemessene Spannung $U_{V}$.
* Protokollieren Sie **alle** numerischen Werte mit entsprechenden Unsicherheiten!
* Berechnen Sie aus den protokollierten Werten $R_{A}$ und $R_{V}$ **mit entsprechenden Unsicherheiten**.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in in der Datei [Hinweise-Messgeraete](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Messgeraete.md).
---
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### Aufgabe 1.2: Bestimmung ohmscher Widerstände
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Gehen Sie zur Bestimmung eines unbekannten Widerstands $R_{X}$, für diesen Versuch, wie folgt vor:
* Schließen Sie $R_{X}$ in Reihe mit
* einem bekannten (Last-)Widerstand von $R=10\,\mathrm{k\Omega}$;
* dem Strommessgerät A; und
* der Spannungsquelle für $ U_{0}=6\,\mathrm{V}$ (Gleichspannung).
* Bestimmen Sie, wie in [**Abbildung 1** hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Widerstaende.md) gezeigt, mit einem Spannungsmessgerät V die über $R_{X}$ abfallende Spannung
* in *spannungsrichtiger* Schaltung; und
* in *stromrichtiger* Schaltung.
* Verwenden Sie zur Berücksichtigung innerer Widerstände, die in **Aufgabe 1.1** bestimmen Werte für $R_{A}$ und $R_{V}$.
* Bestimmen Sie $R_{X}$ mit Hilfe einer Wheatstoneschen Messbrücke, wie in [**Abbildung 2** hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Widerstaende.md) gezeigt.
* **Protokollieren** Sie:
* Den Aufbau der Schaltungen in eigenen Worten (mit Skizzen!).
* Die Werte für $R_{X}$, wie Sie sie mit Hilfe der entsprechenden Schaltungen erhalten.
* Protokollieren Sie **alle** numerischen Werte mit entsprechenden Unsicherheiten! Berücksichtigen Sie hierzu auch die Unsicherheiten auf $R_{A}$ und $R_{V}$, wie Sie sie in **Aufgabe 1.1** bestimmt haben.
* Berechnen Sie aus den protokollierten Werten $R_{X}$ **mit entsprechenden Unsicherheiten**. Vergleichen Sie die Ergebnisse und bewerten Sie die einzelnen Messmethoden.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in in der Datei [Hinweise-Widerstaende](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Widerstaende.md).
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%% Cell type:markdown id:842a63f7-65c7-4752-82a0-9ca654e46acf tags:
### Aufgabe 1.3: Innenwiderstand einer Trockenbattetrie
%% Cell type:markdown id:cbc28245-1839-470d-932e-b45c10912362 tags:
Gehen Sie zur Messung des Innenwiderstands $R_{i}$ der ausliegenden Trockenbatterie, für diesen Versuch, wie folgt vor:
* Wählen Sie ein geeignetes Spannungsmessgerät V für diese Aufgabe aus.
* Bestimmen Sie die Leerlaufspannung $U_{0}$ der Trockenbatterie.
* Schließen Sie den Schaltkreis mit einem äußeren Lastwiderstand $R=220\,\Omega$ kurz und bestimmen Sie die Klemmspannung $U_{K}$.
* **Protokollieren** Sie:
* Den Aufbau der Schaltung unter Last (mit Skizze!).
* Die Werte für $U_{0}$, $U_{K}$ und $I$.
* Protokollieren Sie **alle** numerischen Werte mit entsprechenden Unsicherheiten!
* Berechnen Sie aus den protokollierten Werten $R_{i}$ **mit entsprechenden Unsicherheiten**.
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Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in in der Datei [Hinweise_Spannungsquellen](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Spannungsquellen.md).
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%% Cell type:markdown id:03d51509-49b5-412b-9b4c-1aa893bc4cc9 tags:
## Aufgabe 2: Impedanz im Wechselstromkreis
%% Cell type:markdown id:ef823a54-8ec4-485b-b924-c1bd54293460 tags:
### Aufgabe 2.1: Ohmscher Widerstand der Spule
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Wählen Sie zur Messung von $R_{L}$ der realen Spule eine der Methoden aus **Aufgabe 1.2** und gehen Sie dann analog zu **Aufgabe 1.2** vor.
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%% Cell type:markdown id:f7014f89-694d-45e7-aff2-db783a46a3ed tags:
### Aufgabe 2.2: Impedanz einer realen Spule
%% Cell type:markdown id:37617804-1fbd-48bb-bec3-9d8dda2ebd93 tags:
Gehen Sie zur Bestimmung von $R_{L}$ und $X_{L}$, für diesen Versuch, wie folgt vor:
* Schließen Sie die Spule $Z_{L}$ mit einem Lastwiderstand $R$ und dem Ausgang des Frequenzgenerators in Reihe. Wählen Sie hierzu einen geeigneten Lastwiderstand aus.
* Beobachten Sie die folgenden Signale am Oszilloskop:
* Die Klemmspannung $U_{K}$ am Frequenzgenerator.
* Die über den Lastwiderstand $R$ abfallende Spannung $U_{R}$.
* Die über die Impedanz $Z_{L}$ der Spule abfallende Spannung $U_{L}$.
* Schließen Sie die Spule $Z_{L}$ mit einem Lastwiderstand $R$ und dem Ausgang des Frequenzgenerators in Reihe. Wählen Sie hierzu einen geeigneten Lastwiderstand aus. Gehen Sie dazu wie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Impedanz.md) beschrieben vor.
* **Protokollieren** Sie:
* Den Aufbau der Schaltung in eigenen Worten (mit Skizze!).
* Die Peakspannungen der Signale für $U_{K}$, $U_{R}$ und $U_{L}$.
* Die Phasenverschiebung von $U_{K}$ gegenüber $U_{R}$.
* Die Peakspannungen der Signale für $U_{\mathrm{CH1}}(t)$ und $U_{\mathrm{CH2}}(t)$.
* Die Phase zwischen $U_{\mathrm{CH1}}(t)$ und $U_{\mathrm{CH1}}(t)$.
* Protokollieren Sie **alle** numerischen Werte mit entsprechenden Unsicherheiten!
* Berechnen Sie $R_{L}$ und $X_{L}$ **mit entsprechenden Unsicherheiten**.
* Vergleichen Sie den so ermittelten Wert für $R_{L}$ mit dem aus **Aufgabe 2.1** unter Berücksichtigung der entsprechenden Unsicherheiten.
#### Freiwillige Zusatzaufgabe
Vergleichen Sie den so ermittelbaren Wert für $|Z_{L}|$ mit dem Wert, den Sie aus der Messung von $U_{L}$, $U_{R}$ und dem gewählten Wert von $R$ ermitteln können.
---
Weitere Details zu dieser Aufgabe finden Sie in in der Datei [Hinweise-Impedanz](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Messverfahren/doc/Hinweise-Impedanz.md).
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......
......@@ -68,6 +68,36 @@ $|Z_{L}|$ bestimmt die Größe des Stroms, $\varphi$ die Phasenlage relativ zu $
**Ein realer Schaltkreis enthält immer effektive Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten.** Für andere, als sinusförmige Signale kommt es zu einer frequenzabhängigen Verzerrung des Eingangssignals. Um die Form des Ausgangssignals aus dem Eingangssignal und dem Schaltkreis ableiten zu können bedarf es in solchen fällen einer Fourier-Entwicklung des Eingangssignals, woraus sich $Z_{\omega}$ und $\varphi_{\omega}$ bestimmen lassen.
## Messung der Impedanz einer realen Spule
Gehen Sie zur Messung der Impedanz einer realen Spule mit dem Oszilloskop z.B., wie in **Abbildung 2** gezeigt, vor:
---
<img src="../figures/ImpedanzMessung.png" width="750" style="zoom:100%;"/>
**Abbildung 2**: (Messung der Impedanz einer realen Spule mit dem Oszilloskop)
---
- Sowohl der Spannungsgenerator als auch das Ozilloskop liegen mit einem Eingang auf Masse. Achten Sie darauf, das beide Geräte mit dem gleichen Anschluss auf Masse liegen, da Sie die Geräte sonst über Masse kurzschließen.
- Messen Sie den Spannungsabfall über einem geeignet gewählten, bekannten Vorwiderstand $R_{V}$ auf CH1 des Oszilloskops.
- Messen Sie den Spannungsabfall über $R_{V}+X_{L}$ auf CH2 des Oszilloskops.
- Bestimmen Sie die Phase $\varphi$ zwischen $U_{\mathrm{CH2}}(t)$ und $U_{\mathrm{CH1}}(t)$.
Sie erhalten $|Z_{\mathrm{ges}}|,\ R_{L},\ X_{L}$ dann aus
$$
\begin{equation*}
\begin{split}
&I_{0} = \frac{U_{\mathrm{CH1,0}}}{R_{V}}; \quad
|Z_{\mathrm{ges}}| = \frac{U_{\mathrm{CH2,0}}}{U_{\mathrm{CH1,0}}}\,R_{V}; \\
&\\
&R_{L} = |Z_{\mathrm{ges}}|\cos\varphi-R_{V};\quad X_{L}=|Z_{\mathrm{ges}}|\sin\varphi, \\
\end{split}
\end{equation*}
$$
wobei $U_{\mathrm{CH1,0}}$ und $U_{\mathrm{CH2,0}}$ jeweils den maximalen Amplituden der gemessenen Spannungen entsprechen.
## Essentials
Was Sie ab jetzt wissen sollten:
......
File added
Elektrische_Messverfahren/figures/ImpedanzMessung.png

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Elektrische_Messverfahren/figures/Innenwiderstand_Messgeraet.png

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Elektrische_Messverfahren/figures/Innenwiderstand_Messgeraet.png
  • 2-up
  • Swipe
  • Onion skin
......@@ -107,7 +107,7 @@ $$
Zur Messung des Hystereseverlusts verfolgen wir die folgende Strategie:
- Oszilloskopische Darstellung der Magnetisierungsschleife $B(H)$.
- Elektronische Auslese, Kalibration der Achsen, Glätten der Kurve und numerische Integration der eingeschlossenen Fläche.
- Elektronische Auslese, **Kalibration der Achsen**, Glätten der Kurve und numerische Integration der eingeschlossenen Fläche.
- Bestimmung von $P_{\mathrm{hsyt}}$ nach Gleichung **(1)**.
Ein entsprechendes Schaltbild zur Darstellung der Hysteresschleife auf dem Oszilloskop ist in **Abbildung 2** gezeigt:
......@@ -132,13 +132,15 @@ $$
H = N_{1}\,\frac{I}{\ell} = N_{1}\,\frac{U_{H}}{R_{1}\,\ell}.
\end{equation*}
$$
Beachten Sie, dass $\ell$ nicht der Länge der Spule sondern der Länge der Magnetfeldlinien im Eisenkern entspricht. Eine Erklärung hierzu finden Sie z.B. im Abschnitt **Magnetfeld einer langen Spule** in der Dokumentation für den Versuch [Spezifische Ladung des Elektrons](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Spezifische_Ladung_des_Elektrons/doc/Hinweise-Fadenstrahlrohr.md). Entsprechende Werte für die mittlere Länge der Feldlinien für die am Versuch vorliegenden Eisen- und Ferritkerne finden Sie im [Datenblatt zum Versuch](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Ferromagnetische_Hysterese/Datenblatt.md).
$B$ wird durch Integration der in der Sekundärspule induzierten Spannung
$$
\begin{equation*}
U_{i} = N_{2}\,A\,\dot{B}
\end{equation*}
$$
gewonnen, wobei $A$ der Fläche der Sekundärspule entspricht. Als physikalischer Integrator dient ein $RC$-Integrierglied bestehend aus einem in Reihe geschalteten Widerstand $R_{2}$ und einem Kondensator $C$. Über den Kondensator wird $U_{B}$ auf CH2 des Oszilloskops abgegriffen wird. (Zur Funktionsweise eines $RC$-Integrierglieds siehe **Aufgabe 1** des Versuchs [Netzwerke und Leitungen](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Netzwerke_und_Leitungen).) Sind $R_{2}$ und $C$ so gewählt, dass die Bedingung
gewonnen, wobei $A$ der Fläche der Sekundärspule entspricht. Als physikalischer Integrator dient ein $RC$-Integrierglied bestehend aus einem in Reihe geschalteten Widerstand $R_{2}$ und einem Kondensator $C$. Über den Kondensator wird $U_{B}$ auf CH2 des Oszilloskops abgegriffen. (Zur Funktionsweise eines $RC$-Integrierglieds siehe **Aufgabe 1** des Versuchs [Netzwerke und Leitungen](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Netzwerke_und_Leitungen).) Sind $R_{2}$ und $C$ so gewählt, dass die Bedingung
$$
\begin{equation*}
R_{2}\gg\frac{1}{\omega\,C};\qquad \text{mit: }\omega=2\pi\,\nu
......
......@@ -155,7 +155,7 @@ Das Messgerät, dass Sie für den Versuch benutzen ist ein *True RMS Multimeter*
Die **effektive Leistung $P_{\mathrm{eff}}$** ergibt sich aus der über $T$ gemittelten abfallenden Leistung über den Widerstand $R$ aus
$$
\begin{equation*}
P_{\mathrm{eff}} = R\,I_{\mathrm{eff}}
P_{\mathrm{eff}} = R\,I_{\mathrm{eff}}^2
\end{equation*}
$$
......
......@@ -236,7 +236,9 @@
{
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"## Aufgabe 3: Aufbau optischer Instrumente"
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......
......@@ -6,17 +6,17 @@ Für den Versuch stehen Ihnen die folgenden Apparaturen und Materialien zur Verf
- Mehrere **quaderförmige Kisten mit Ösen**, um die Kisten in den jeweiligen Symmetrieachsen der Seitenflächen aufzuhängen. Die Kisten können mit einem Antriebsmotor in Rotation versetzt werden.
- Ein Kreisel mit kardanischer Aufhängung, zur Veranschaulichung der Funktionsweise eines **Kreiselkompasses**, mit dem folgenden weiteren Zubehör:
- Der innere Kardanrahmen des Kreisels ist mit vier Schraubenfedern am äußeren Kardanrahmen fixiert. Dadurch richtet sich der Kreisel in der jeweiligen Tangentialebene in Nord-Süd-Richtung aus.
- Eine drehbare, tellerförmige Standfläche; der Kreisel kann gegen diese Standfläche verkippt werden, um verschiedene Breitengrade nachzustellen.
- Eine drehbare, tellerförmige Standfläche; der Kreisel kann gegen diese Standfläche verkippt werden, um verschiedene Breitengrade zu simulieren.
- Ein Antriebsmotor, um die Standfläche in gleichmäßige, **langsame** Rotation zu versetzen.
- Ein **Kreisel mit kardanischer Aufhängung** für quantitative Untersuchungen, mit verschiedenen Zusatzteilen:
- Ein Antriebsmotor mit biegsamer Welle und Motorsteuerung mit dem Sie den Kreisel auf bis zu $3500\hspace{0.05cm}\text{Umdrehungen pro min}$ antreiben können.
- Ein Antriebsmotor mit biegsamer Welle und Motorsteuerung mit dem Sie den Kreisel auf bis zu $3500\hspace{0.05cm}\text{Umdrehungen/min}$ antreiben können.
- Zwei Schwanenhalshalterungen mit Fotosensoren mit integrierter Lichtquelle, zur Frequenzbestimmung.
- Zwei Frequenzzähler (Hameg HM8021-4).
- Eine Stoppuhr.
- Zylinderförmige Zusatzgewichte mit der jeweiligen Masse $m_{\mathrm{Z}}=(1000\pm1)\hspace{0.05cm}\mathrm{g}$. Die Zusatzgewichte können an den äußeren Kardanrahmen geschraubt werden.
- Ein Stahlstab mit der Mass $m_{\mathrm{Stab}}=(330\pm1)\hspace{0.05cm}\mathrm{g}$, mit verschiebbarem Gewicht der Masse $m_{\mathrm{G}}=(375\pm1)\hspace{0.05cm}\mathrm{g}$. Der Stab kann an den inneren Kardanrahmen geschraubt werden.
- Zylinderförmige Zusatzgewichte mit der jeweiligen Masse $m_{\mathrm{Z}}=(1000\pm1)\ \mathrm{g}$. Die Zusatzgewichte können an den äußeren Kardanrahmen angeschraubt werden.
- Ein Stahlstab mit der Mass $m_{\mathrm{Stab}}=(330\pm1)\ \mathrm{g}$, mit verschiebbarem Gewicht der Masse $m_{\mathrm{G}}=(375\pm1)\ \mathrm{g}$. Der Stab kann an den inneren Kardanrahmen angeschraubt werden.
- Für Ihre Messungen benötigen Sie die folgenden weiteren äußeren Parameter:
- Der Abstand zwischen der Symmetrieachse des Kreisels und dem jeweiligen Schwerpunkt eines aufgeschraubten zylindrischen Zusatzgewichts beträgt $\ell=(14,9\pm0,1)\hspace{0.05cm}\mathrm{cm}$.
- Der Durchmesser jeweils eines zylindrischen Zusatzgewichts beträgt $d_{\mathrm{Z}}=(4,00\pm0,01)\hspace{0.05cm}\mathrm{cm}$.
- Der Abstand zwischen dem Kreiselschwerpunkt und dem äußeren Rand des inneren Kardanrahmens beträgt $s=(10,91\pm0,03)\hspace{0.05cm}\mathrm{cm}$.
- Der Durchmesser des Rotors beträgt $d_{\mathrm{Rotor}}=(13,50\pm0,01)\hspace{0.05cm}\mathrm{cm}$.
- Der Abstand zwischen der Symmetrieachse des Kreisels und dem jeweiligen Schwerpunkt eines aufgeschraubten zylindrischen Zusatzgewichts beträgt $\ell=(14.9\pm 0.1)\ \mathrm{cm}$.
- Der Durchmesser jeweils eines zylindrischen Zusatzgewichts beträgt $d_{\mathrm{Z}}=(4.00\pm 0.01)\ \mathrm{cm}$.
- Der Abstand zwischen dem Kreiselschwerpunkt und dem äußeren Rand des inneren Kardanrahmens beträgt $s=(10.91\pm 0.03)\ \mathrm{cm}$.
- Der Durchmesser des Rotors beträgt $d_{\mathrm{Rotor}}=(13.50\pm 0.01)\ \mathrm{cm}$.
%% Cell type:markdown id:885c7767-e912-4e31-b5d6-3a3443ffa58e tags:
# Fakultät für Physik
## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-26, 27, 28 (Stand: Oktober 2023)
Versuch P1-91, 92, 93 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-15](https://labs.physik.kit.edu/img/Praktikum/Lageplan_P1.png)
[Raum F1-15](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
# Kreisel
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%% Cell type:markdown id:48e35b85-50fd-4979-8da9-992623fb4f0e tags:
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Gruppennummer: _____
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Betreuer: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Versuch durchgeführt am: __________________
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**Beanstandungen:**
**Beanstandungen zu Protokoll Version _____:**
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
&\\
\end{split}
%\text{\vspace{10cm}}
\end{equation*}
<br>
Testiert am: __________________ Testat: __________________
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# Durchführung
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**Detaillierte Hinweise zur Durchführung der Versuche finden Sie in der Datei [Kreisel_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/Kreisel_Hinweise.ipynb)**
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## Aufgabe 1: Physik starrer Körper
**Hinweise zu allen hier durchzuführenden Messungen finden Sie in der Datei [Hinweise-Aufgabe-1.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md).**
Bei dieser Aufgabe handelt es sich um **Demonstrationsversuche, die Sie sich gemeinsam mit Ihrem:r Tutor:in während der Praktikumsvorbesprechung** überlegen und im Anschluß durchführen können, um sich durch eigene Erfahrung mit der Physik starrer Körper vertraut zu machen. Wir empfehlen Ihnen, die nötige Zeit für die entsprechenden Versuche einzuräumen und jedem:r Teilnehmer:in die Versuche (bei denen Sie selbst das Studienobjekt sind!) selbst durchzuführen.
Bei dieser Aufgabe handelt es sich um **Demonstrationsversuche**, die Sie sich gemeinsam mit Ihrem:r Tutor:in während der Praktikumsvorbesprechung überlegen und im Anschluß durchführen können, um sich durch eigene Erfahrung mit der Physik starrer Körper vertraut zu machen. Wir empfehlen Ihnen, die nötige Zeit für die entsprechenden Versuche einzuräumen und jedem:r Teilnehmer:in die Versuche, bei denen Sie selbst das Studienobjekt sind, selbst durchzuführen.
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### Aufgabe 1.1: Drehimpulserhaltung
Um persönliche Erfahrungen mit der Drehimpulserhaltung zu sammeln, stehen Ihnen ein Drehschemel und ein Rad mit zwei Griffen und Zugband zur Verfügung. Notieren Sie Ihre Erfahrungen und diskutieren Sie die zugrundeliegenden physikalischen Effekte.
Um persönliche Erfahrungen mit der Drehimpulserhaltung sammeln zu können, stehen Ihnen ein **Drehschemel und ein Rad mit zwei Griffen und Zugband** zur Verfügung. Notieren Sie Ihre Erfahrungen und diskutieren Sie die zugrundeliegenden physikalischen Effekte.
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**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:20887c3e-9c2e-4cf2-918e-c6091ec8f900 tags:
%% Cell type:markdown id:86fe58d6-9cc9-47c4-83b8-ef30c8e16664 tags:
### Aufgabe 1.2: Trägheitstensor
Um Erfahrungen mit dem Trägheitstensor zu sammeln steht Ihnen ein Aufbau zur Verfügung, mit dem Sie entsprechend präparierte Holzkisten in ihren Schwerpunkten aufhängen und in Rotation versetzen können. Notieren Sie Ihre Erfahrungen und diskutieren Sie die zugrundeliegenden physikalischen Effekte.
Um Erfahrungen mit dem Trägheitstensor sammeln zu können steht Ihnen ein Aufbau zur Verfügung, mit dem Sie entsprechend präparierte **Holzkisten in ihren Schwerpunkten aufhängen und in Rotation versetzen** können. Notieren Sie Ihre Erfahrungen und diskutieren Sie die zugrundeliegenden physikalischen Effekte.
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%% Cell type:markdown id:516fa8b9-2a57-41d7-b5b4-3aa651659304 tags:
**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:335cd2f4-efc6-4072-9ab7-d4a240eb220d tags:
### Aufgabe 1.3: Kreiselkompass
Für diesen Versuch steht Ihnen ein [kardanisch](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) gelagerter Kreisel auf einer drehbaren Grundfläche zur Verfügung, der sich gegen die Grundfläche kippen lässt. Der innere Kardanrahmen ist durch Arretierfedern fixiert. Beschreiben und diskutieren Sie das Verhalten des Kreisel nachdem Sie zunächst den Kreisel und dann seine Standfläche in Rotation versetzt haben.
Für diesen Versuch steht Ihnen ein **[kardanisch](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) gelagerter Kreisel auf einer drehbaren Grundfläche** zur Verfügung, der sich gegen die Grundfläche kippen lässt. Der innere Kardanrahmen ist durch Arretierfedern fixiert. Beschreiben und diskutieren Sie das Verhalten des Kreisel nachdem Sie zunächst den Kreisel und dann seine Standfläche in Rotation versetzt haben.
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%% Cell type:markdown id:8fc93666-17f2-4c2b-95fb-b9f788b1060b tags:
**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:8e0a9282-836f-4553-a1f4-c8768966ba93 tags:
## Aufgabe 2: Kardanisch gelagerter Kreisel
**Hinweise zu allen hier durchzuführenden Messungen finden Sie in der Datei [Hinweise-Aufgabe-2.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md).**
Im Verlauf dieses Versuchs **untersuchen Sie einen [kardanisch](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) gelagerten Kreisel quantitativ**. Sie lernen dabei mehrere charakteristische Eigenschaften symmetrischer Kreisel kennen, bestimmen die Trägheitsmomente $\theta_{x}',\,\theta_{y}',\,\theta_{z}'$ entlang der [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) des Kreisels und schätzen die Masse $M_{\mathrm{Rotor}}$ des Kreiselrotors ab.
Im Verlauf dieses Versuchs untersuchen Sie den [kardanisch](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) gelagerten Kreisel quantitativ. Sie lernen dabei mehrere charakteristische Eigenschaften symmetrischer Kreisel kennen. Sie bestimmen die Trägheitsmomente entlang der [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) des Kreisels und schätzen die Masse des Kreiselrotors ab.
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### Aufgabe 2.1: Dämpfung
### Aufgabe 2.1: Nutation
Bestimmen Sie die Dämpfung des Kreisels aus einer Messreihe von mindestens 30 Punkten. Stellen Sie die Kreisfrequenz $\omega$ des Kreisels geeignet als Funktion der Zeit $t$ dar.
* Bestimmen Sie die **Nutationsfrequenz $\omega_{N}$ des Kreisels** als Funktion von $\omega$.
* Wiederholen Sie die Messreihe für eine Konfiguration in der Sie **zwei Zylindergewichte $\mathcal{Z}$ zusätzlich** an den äußeren Kardanrahmen der Kreiselaufhängung geschraubt haben.
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---
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%% Cell type:markdown id:7af82097-8ac0-4535-a4e8-e223b971c1a3 tags:
**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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### Aufgabe 2.2: Nutation
**L Ö S U N G**
* Bestimmen Sie die Nutationsfrequenz $\omega_{N}$ des Kreisels als Funktion von $\omega$. Nehmen Sie eine Messreihe mit mindestens 30 Messpunkten auf und stellen Sie sie geeignet dar.
* Wiederholen Sie die Messreihe für eine Konfiguration in der Sie zwei Zylindergewichte zusätzlich an den äußeren Kardanrahmen der Kreiselaufhängung geschraubt haben.
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:c665a1cc-d868-4e03-8fda-48d75e2ea428 tags:
**Lösung:**
**D I S K U S S I O N**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:60568a02-3549-4afd-a4d0-6975255e804c tags:
### Aufgabe 2.3: Präzession
### Aufgabe 2.2: Präzession
Bestimmen Sie Präzessionsfrequenz $\Omega$ des nutationsfreien, symmetrischen Kreisels als Funktion von $\omega$. Tun Sie dies, indem Sie einen Metallstab als zusätzliches Gewicht in den inneren Kardanrahmen der Kreiselaufhängung schrauben. Nehmen Sie eine Messreihe mit midestens 30 Messpunkten auf und stellen Sie sie geeignet dar.
* Bestimmen Sie **Präzessionsperiode $T_{\Omega}$** des nutationsfreien, symmetrischen Kreisels als Funktion von $\omega$.
* Sie tun dies, indem Sie einen **Stahlstab als zusätzliches Gewicht** in den inneren Kardanrahmen der Kreiselaufhängung schrauben.
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**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:a01cfa06-0204-41db-a7fa-4d0ae86fde07 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:a3ec5750-db5c-4324-bd1d-c59f5ab5aa91 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:0444a5d9-9aa9-45ac-8694-d4684c21715d tags:
### Aufgabe 2.4: Trägheitsmomente entlang der Hauptträgheitsachsen
### Aufgabe 2.3: Trägheitsmomente $\theta_{x}',\,\theta_{y}',\,\theta_{z}'$ entlang der Hauptträgheitsachsen des Kreisels
* Berechnen Sie aus den Messungen die Sie im Rahmen der **Aufgaben 2.2** und **2.3** durchgeführt haben, die Trägheitsmomente $\theta_{x}$, $\theta_{y}$ und $\theta_{z}$ entlang der Hauptträgheitsachsen.
* Schätzen Sie aus Ihren Berechnungen die Masse $M$ des Kreiselrotors ab.
* Berechnen Sie aus den Messungen die Sie im Rahmen der **Aufgaben 2.1 und 2.2** durchgeführt haben, die Trägheitsmomente $\theta_{x}',\,\theta_{y}',\,\theta_{z}'$ entlang der Hauptträgheitsachsen des Kreisels.
* Schätzen Sie aus Ihren Berechnungen die Masse $M_{\mathrm{Rotor}}$ des Kreiselrotors ab.
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%% Cell type:markdown id:a071ed7a-edd1-4070-a249-7f4fb5414146 tags:
%% Cell type:markdown id:94664bb8-a292-48cb-9741-9bb389e7625e tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:76dbb502-d104-4543-a4fc-10a7f95dcad8 tags:
**L Ö S U N G**
**Lösung:**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:03ffa091-35ef-4092-92a5-8c3592d2fb74 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:8299296d-28e8-4e1f-a550-647662df6e05 tags:
# Beurteilung
%% Cell type:markdown id:544e55bd-b1bd-4226-b1fd-4f9905f7de6c tags:
* Nach Abschluss des Versuchs haben Sie die Möglichkeit diesen Versuch individuell zu beurteilen.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link](https://www.empirio.de/s/3bX=NbX33=)**.
* Beachten Sie, dass jede:r Studierende nur einmal pro Versuch eine Beurteilung abgeben kann.
* Wir empfehlen die Beurteilung nach der Besprechung Ihrer Versuchsauswertung mit Ihrem:r Tutor:in auszufüllen.
......
%% Cell type:markdown id:e27f092f-5efa-43d3-8f79-82bc32d4b518 tags:
# Hinweise zum Versuch Kreisel
%% Cell type:markdown id:9a0db2fe-61f6-4435-8816-d46d649d9738 tags:
## Aufgabe 1: Physik starrer Körper
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Weitere Details zur Vorbereitung auf die folgenden Aufgaben finden Sie in den Dateien [Hinweise-StarrerKoerper](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-StarrerKoerper.md) und [Hinweise-Traegheitsellipsoid](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Traegheitsellisoid.md).
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%% Cell type:markdown id:825368c8-ccea-489c-9871-8b3aac0f3f7c tags:
### Aufgabe 1.1: Drehimpulserhaltung
%% Cell type:markdown id:062cc8cb-1206-4df8-be3f-4132abce3eb5 tags:
Es gibt mehrere Versuche, die Sie mit Hilfe des **Drehschemels und des Fahrradkreisels mit Zugband** durchführen können, um sich mit den Eigenschaften rotierender starrer Körper und der **Erhaltung des Drehimpulses** vertraut zu machen. Wir geben im folgenden einige Anregungen:
* Nehmen Sie auf dem Drehschemel Platz; halten Sie die **Radachse vertikal**; werfen Sie den Fahrradkreisel von Hand an, oder lassen Sie sich dabei helfen; Drehen Sie dann den Fahrradkreisel **in die Horizontale** und halten Sie ihn schließlich an.
* Gehen Sie wie oben vor, aber beginnen Sie mit dem Fahrradkreisel in der **Horizontalen und drehen Sie ihn dann in die Vertikale**.
* Gehen Sie wie oben vor, aber lassen Sie den Fahrradkreisel von einer anderen Person anwerfen, und schließlich **an Sie übergeben**.
* Gehen Sie wie oben vor, aber drehen Sie den Fahrradkreisel langsam **von der Vertikalen um $180^{\circ}$ erneut in die Vertikale**. Dabei zeigt ein Griff des Kreisels mal nach oben und mal nach unten.
* Versetzen Sie den Drehschemel (mit oder ohne Fahrradkreisel in Drehung); **halten Sie dabei die Arme ausgestreckt**; führen Sie dann die Arme an den Körper. Der Effekt verstärkt sich, wenn Sie Gewichte in den Händen halten.
Führen Sie einige dieser Versuche durch, dokumentieren Sie Ihre Erfahrungen und erklären Sie diese.
%% Cell type:markdown id:2ca63eec-654b-489d-a0fe-b642cc1d4733 tags:
### Aufgabe 1.2: Trägheitstensor
%% Cell type:markdown id:a95ded25-a7a4-40f3-8f76-d83504fe8db9 tags:
* Die zu Ihrer Verfügung stehenden Aufbauten bieten Ihnen die Möglichkeit sich mit den **Hauptträgheitsachsen eines homogenen Quaders** vertraut zu machen.
* Führen Sie frei einige Versuche durch, dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen und erklären Sie diese.
* Fügen Sie Ihrem Protokoll ggf. eine oder mehrere Skizzen und Photographien zu.
* Führen Sie Ihre Experimente mit **moderaten Rotationsgeschwindigkeiten** durch, so dass die Ihnen zur Verfügung stehenden Materialien und Gerätschaften in gleicher Qualität noch für andere Gruppen erhalten bleiben.
%% Cell type:markdown id:e5d68f41-8b6c-41eb-a570-3f01d5a76a2b tags:
### Aufgabe 1.3: Kreiselkompass
%% Cell type:markdown id:50ae33b0-20f9-4c1a-997e-b61e1b7a209a tags:
* Die Funktionsweise des Kreiselkompasses basiert auf dem Phänomen der **[Präzession](https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession)** unter einer, durch die Revolution der Erde erzwungenen, kontinuierlichen Drehung des Kreisels.
* Das Phänomen der Präzession sowie die genaue Ausrichtung des Kreisels werden in der Datei [Hinweise-Praezession.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Praezession.md) diskutiert.
* Die Erde dreht sich mit einer sehr geringen Winkelgeschwindigkeit von
$$
\begin{equation*}
|\vec{\omega}_{E}| = 7,27\times10^{-5}\,\mathrm{s^{-1}}.
\end{equation*}
$$
* Die mit der Handkurbel erreichbaren Drehimpulse $\vec{L}$ sind **zu gering**, um entgegen der Haftreibung der Lagerung des äußeren Kardanrahmens eine **Ausrichtung des Kreisels allein aufgrund der Erdrotation** zu erreichen.
* Daher steht der Kreisel auf einer drehbaren Bodenplatte, die mit Hilfe eines Elektromotors mit höheren Winkelgeschwindigkeiten gedreht werden kann.
* Der Kreisel lässt sich gegen die Standfläche verkippen, um **variierende Breitengrade** auf dieser "Nachbildung" der Erde zu simulieren.
* **Versetzen Sie die Platte in langsame Rotation, um vernünftige Experimente damit durchführen zu können!**
* Sie sollten sich bei der Durchfürung des Experiments über Ihre Erwartung genau im Klaren sein.
* Wenn Sie die Rotationsgeschwindigkeit der Platte zu hoch einstellen überschlägt sich der Kreisel aufgrund seiner eigenen, der Ausrichtung entgegenstehenden Trägheit, wobei sich die Schraubenfedern lösen können.
* Überprüfen Sie Ihre Erwartung an die Ausrichtung des Kreisels, für verschiedene Breitengrade.
%% Cell type:markdown id:9f8c34eb-9f47-4813-a8bf-63b39d960ace tags:
## Aufgabe 2: Kardanisch gelagerter Kreisel
* Diese Aufgabe hat das Ziel, die Hauptträgheitsmomente $\theta_{x}',\,\theta_{y}',\,\theta_{z}'$ zu bestimmen und aus $\theta_{z}'$ die Masse $M_{\mathrm{Rotor}}$ des Rotors abzuschätzen. Hierzu benötigen Sie alle Messungen aus den **Aufgaben 2.1 und 2.2**. Diese werden im Rahmen von **Aufgabe 2.3** ausgewertet.
* Es empfiehlt sich, **vor Versuchsbeginn die Hinweise zu allen Aufgaben sorgfältig durchgelesen** zu haben.
---
* Weitere Details zum hier verwendeten Kreisel und den damit verbundenen Messvorgängen finden Sie in der Datei [Hinweise-Kreisel](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Kreisel.md).
* Wichtige Details zur Auswertung finden Sie in der Datei [Hinweise-Auswertung](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Auswertung.md).
---
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### Aufgabe 2.1: Nutation
%% Cell type:markdown id:9c7a872f-92dc-4fc8-ad61-af6f550d1953 tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Bringen Sie den Kreisel für diese Messung mit Hilfe des Motors auf etwa $1000\,\text{Umdrehungen/min}$.
* Aufgrund der Konstruktion treiben Sie den Kreisel in seiner Figurenachse $\hat{z}$ (d.h. mit $\vec{L}\parallel\vec{\omega}$) an.
* Um eine Nutationsbewegung zu erhalten **müssen Sie $\vec{\omega}$ aus der Figurenachse auslenken**. Dies erreichen Sie durch einen **kräftigen Stoß mit dem am Versuch ausliegenden Gummihammer** auf den inneren Kardanrahmen.
* Bestimmen Sie die **Nutationsfrequenz $\omega_{N}$ des Kreisels als Funktion von $\omega$**.
* Positionieren Sie zur Bestimmung von $\omega_{N}$ eine der Schwanenhalshalterungen so, dass sie die Reflektor-beklebte Kante des inneren Kardanrahmens periodisch erfasst.
* Durch die Reibung in den Lagern des inneren Kardanrahmens wird die Nutationsbewegung relativ schnell gedämpft.
* Nehmen Sie eine **Messreihe mit mindestens 30 Messpunkten** auf.
* Gehen Sie dabei wie folgt vor:
* Schlagen Sie den inneren Kardanrahmen einige Mal an. Bestimmen Sie $\omega_{i}$ und $\omega_{N,i}$ aus dem **Mittelwerten der Stichprobe** und die Unsicherheiten $\Delta\omega_{i}$ und $\Delta\omega_{N,i}$ aus der **Stichprobenvarianz**.
* Beginnen Sie mit der jeweils nächsten Messung, wenn $\nu=\omega/2\pi$ um etwa $0.5\,\mathrm{Hz}$ abgenommen hat. Auf diese Weise sollten Sie bis zu 30 Messungen aufnehmen können.
* Nehmen Sie dann das Wertepaar $(\omega_{i}, \omega_{N,i})$ in Ihr Protokoll auf. Beachten Sie hierzu, dass Sie die Wiedergabe von $\omega_{N,i}$ und $\omega_{i}$ zum Ablesen der Werte an beiden Frequenzzählern gleichzeitig anhalten können.
* Führen Sie **eine Messreihe *ohne* und eine zweite Messreihe *mit* Zusatzgewichten** an den Enden des inneren Kardanrahmens durch.
* Schrauben Sie hierzu die zylindrischen Zusatzgewichte zusammen mit zwei $0.5\,\mathrm{mm}$ dicken Unterlegscheiben aus Teflon auf die überstehenden Gewinde der inneren Kardanachse auf.
* Positionieren Sie die Zylinder so, dass ihre Symmetrieachsen parallel zur Senkrechten (und damit **parallel zur Drehachse des äußeren Kardanrahmens**) stehen, um die Berechnung der durch die Gewichte zusätzlich eingebrachten Trägheitsmomente in $\theta_{x}^{(a)}$ nicht unnötig zu erschweren.
* Schrauben Sie die Gewichte gerade so fest, dass sie durch die Nutationsbewegung nicht aus ihrer variablen Lage gebracht werden; die Teflonscheiben sind flexibel und sollten den nötigen Spielraum hierzu bieten.
* Die Zusatzgewichte führen zu einem **wesentlich höherem Trägheitsmoment des äußeren Kardanrahmens** um die Senkrechte, woraus nach Gleichung **(1)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Nutation.md) eine entsprechend veränderte Abhängigkeit zwischen $\omega_{N}$ und $\omega$ resultiert.
* Ohne Gewichte können Sie $\omega_{N}$ bis zu Frequenzen von $\nu\approx 10\,\mathrm{Hz}$ noch einigermaßen verlässlich bestimmen; mit Gewichten bis zu Frequenzen von $\nu\approx 15\,\mathrm{Hz}$.
* **Protokollieren** Sie:
* Beschreiben Sie Ihr Vorgehen für die Messung.
* Die Wertepaare $(\omega_{i}, \omega_{N,i})$, mit entsprechenden Unsicherheiten $(\Delta\omega_{i}, \Delta\omega_{N,i})$ **für beide Messreihen**!
* **Stellen Sie die Wertepaare am besten noch während der Versuchsdurchführung geeignet dar**, so dass Sie eventuelle Fehlmessungen sofort erkennen und ggf. wiederholen können. Ein geeignetes Code-Fragment hierfür können Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/tools/data_aquisition_by_hand.ipynb) finden.
* Passen Sie an die sich ergebenden Kurven jeweils ein Modell der Form $\omega_{N}=\mu_{j}\,\omega$, nach Gleichung (**(1)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Nutation.md)) an.
* Erlauben Sie zunächst noch einen zusätzlichen Parameter $m_{j}$ für den $y$-Achsenabschnitt und überprüfen Sie dessen Verträglichkeit (im Rahmen seiner Unsicherheiten aus der Anpassung) mit dem Wert 0. Nachdem Sie diese nachgewiesen haben können Sie auf den Paramerer $m_{j}$ in Ihrem Modell verzichten.
* Beurteilen Sie die **Gültigkeit der von Ihnen verwendeten Modelle** mit Hilfe des $\chi^{2}$-Werts der entsprechenden Anpassungen.
* Bestimmen Sie die Parameter $\mu_{i}\pm\Delta\mu_{i}$ aus den entsprechenden Anpassungen.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Nutation](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Nutation.md).
---
%% Cell type:markdown id:a765ce9a-f9b0-4bb5-8348-ccba0b79e79a tags:
### Aufgabe 2.2: Präzession
%% Cell type:markdown id:4fa83697-b1c0-4f71-9cd7-ed4d5e5b8cb8 tags:
Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie folgt vor:
* Messen Sie $T_{\Omega}$ als Funktion von $\omega$.
* Das für die Präzession nötige Drehmoment erzeugen Sie durch ein **zusätzliches Gewicht am inneren Kardanrahmen**, das durch einen Stahlstab eingebracht wird, der auf der dem Antriebsflansch gegenüberliegenden Seite, aufgeschraubt wird.
* Sie messen $T_{\Omega}$ mit einer Stoppuhr. Bestimmen Sie jeden Messwert und die entsprechende Unsicherheit $\Delta T_{\Omega}$, wie für **Aufgabe 2.1** aus dem **Mittel und der Varianz einer Stichprobe von geeigneter Länge**.
* Achten Sie darauf vor dem Start jeder Messung **alle Nutationsbewegungen am inneren Kardanrahmen sachte abzudämpfen** und die Schwanenhalshalterungen aus dem Schwenkbereich des sich drehenden Stabs zu entfernen.
* Kontrollieren Sie $\omega$ sowohl vor, als auch nach der Messung von $T_{\Omega}$.
* Wiederholen Sie die Messreihe mit **verschiedenen Positionen eines zusätzlichen Gewichts am Stab**.
* Sie sollten **mindestens 30 Messpunkte** aufnehmen, die Sie auf verschiedene Messreihen mit verschiedenen Positionen des Gewichts am Stab aufteilen können. **Je mehr Messpunkte Sie aufnehmen, desto präziser wird Ihre Messung sein.**
* **Protokollieren** Sie:
* Beschreiben Sie Ihr Vorgehen für die Messung.
* Die Wertepaare $(\omega_{i}, T_{\Omega,i})$, mit entsprechenden Unsicherheiten $(\Delta\omega_{i}, \Delta T_{\Omega,i})$ **für alle aufgenommenen Messreihen**!
* **Stellen Sie die Wertepaare am besten noch während der Versuchsdurchführung geeignet dar**, so dass Sie eventuelle Fehlmessungen sofort erkennen und ggf. wiederholen können. Ein geeignetes Code-Fragment hierfür können Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/tools/data_aquisition_by_hand.ipynb) finden.
* Passen Sie an die sich ergebenden Kurven jeweils ein Modell der Form $T_{\Omega}=\kappa_{j}\,\omega$ nach Gleichung (**(2)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Praezession.md)) an.
* Erlauben Sie zunächst noch einen zusätzlichen Parameter $k_{j}$ für den $y$-Achsenabschnitt und überprüfen Sie dessen Verträglichkeit (im Rahmen seiner Unsicherheiten aus der Anpassung) mit dem Wert 0. Nachdem Sie diese nachgewiesen haben können Sie auf den Paramerer $k_{j}$ in Ihrem Modell verzichten.
* Beurteilen Sie die **Gültigkeit der von Ihnen verwendeten Modelle** mit Hilfe des $\chi^{2}$-Werts der entsprechenden Anpassungen.
* Bestimmen Sie die Parameter $\kappa_{j}\pm\Delta\kappa_{j}$ aus den entsprechenden Anpassungen.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Praezession](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Praezession.md).
---
%% Cell type:markdown id:bc07be99-3e73-4749-adc2-c394b88e089c tags:
### Aufgabe 2.3: Trägheitsmomente $\theta_{x}',\,\theta_{y}',\,\theta_{z}'$ entlang der Hauptträgheitsachsen des Kreisels
%% Cell type:markdown id:c701c9c3-dd87-4696-9dcc-a35719c6f59f tags:
* Gehen Sie zur Bearbeitung dieser Aufgabe wie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Auswertung.md) beschrieben vor.
* Wählen Sie hierzu eine der vorgeschlagenen Methoden aus. **Achten Sie bei der Wahl von Methode-1 auf die Fehlerfortpflanzung aller relevanten Unsicherheiten und systematischen Unsicherheiten.**
* Die folgenden Größen sind das Ziel Ihrer Messung:
* $\theta_{x}'\pm\Delta\theta_{x}'$;
* $\theta_{y}'\pm\Delta\theta_{y}'$;
* $\theta_{z}'\pm\Delta\theta_{z}'$;
* $M_{\mathrm{Rotor}}\pm\Delta M_{\mathrm{Rotor}}$;
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Auswertung](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Auswertung.md).
---
......@@ -4,9 +4,9 @@
## Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik
Versuch P1-26, 27, 28 (Stand: Oktober 2023)
Versuch P1-91, 92, 93 (Stand: **Oktober 2024**)
[Raum F1-15](https://labs.physik.kit.edu/img/Praktikum/Lageplan_P1.png)
[Raum F1-15](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
......@@ -16,20 +16,20 @@ Versuch P1-26, 27, 28 (Stand: Oktober 2023)
Die uns umgebende Natur ist i.a. weder geradlinig noch punktförmig, wie in der Schule oder den ersten Einführungsvorlesungen der Mechanik oft vorausgesetzt. Physikalische Körper bewegen sich im dreidimensionalen Raum und haben eine endliche Ausdehnung. Als erste Konsequenz erfolgt die Beschreibung der Bewegung physikalischer Körper nicht allein mit der Hilfe [skalarer](https://de.wikipedia.org/wiki/Skalar_(Mathematik)) Größen, wie der Masse $m$, sondern zusätzlich mit der Hilfe von [Vektoren](https://de.wikipedia.org/wiki/Vektor), mehr-komponentigen mathematischen Darstellungen, wie dem Ortsvektor $\vec{r}$, mit einem fest vorgegebenen Verhalten unter Transformationen im Raum. Ausgedehnte Körper, bei denen einzelne Punkte im Raum in festen Beziehungen zueinander stehen werden zudem mit Hilfe von [Tensoren](https://de.wikipedia.org/wiki/Tensor) beschrieben. Die Welt der [analytischen Geometrie](https://de.wikipedia.org/wiki/Analytische_Geometrie) wird durch komplizierte Verknüpfungen wie das [innere](https://de.wikipedia.org/wiki/Skalarprodukt), [äußere](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreuzprodukt) oder das [Tensorprodukt](https://de.wikipedia.org/wiki/Tensorprodukt) bestimmt. Wichtige mathematische Gebilde, wie der [Hilbertraum](https://de.wikipedia.org/wiki/Hilbertraum), sind der Natur abgeschaut.
Ausgedehnte Körper können manchmal nicht-intuitive, zum Teil verrückt anmutende Bewegungen ausführen, die durch die Sprache der analytischen Geometrie genau beschrieben und vorhergesagt werden können. Gerade aufgrund seiner bemerkenswerten Bewegungsformen ist der Kreisel vielen von Ihnen, als *physikalisches* Spielzeug, seit Kindesbein wohl bekannt. In der Physik ist der Kreisel ein niemals langweiliges Studienobjekt, um die manchmal nicht-intuitive Erfahrungswelt der uns umgebenden Realität mit der manchmal nicht besonders anschaulichen Welt der Mathematik in Verbindung zu bringen. Mit dem Versuch Kreisel, haben Sie Gelegenheit hierzu.
Ausgedehnte Körper können manchmal nicht-intuitive, zum Teil verrückt anmutende Bewegungen ausführen, die durch die Sprache der analytischen Geometrie genau beschrieben und vorhergesagt werden können. Gerade aufgrund seiner bemerkenswerten Bewegungsformen ist der Kreisel vielen von Ihnen, als *physikalisches* Spielzeug, von Kindesbein an wohl bekannt. In der Physik ist der Kreisel ein niemals langweiliges Studienobjekt, um die manchmal nicht-intuitive Erfahrungswelt der uns umgebenden Realität mit der manchmal nicht besonders anschaulichen Welt der Mathematik in Verbindung zu bringen.
## Lehrziele
Wir listen im Folgenden die wichtigsten **Lehrziele** auf, die wir Ihnen mit dem Versuch **Kreisel** vermitteln möchten:
- Sie vergegenwärtigen sich die Bedeutung von Skalaren, Vektoren und Tensoren.
- Mit dem [Trägheitstensor](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitstensor) $\boldsymbol{\Theta}$ beschäftigen Sie sich mit einer der experimentell zugänglichsten und noch anschaulichsten Tensorgrößen in der klassischen Physik. Dabei haben Sie die Möglichkeit mathematisch abstrakte Konzepte, wie [Eigenwert](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren), [Eigenvektor](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren) oder [Hauptachsentransformation](https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptachsentransformation), die Sie aus der [linearen Algebra](https://de.wikipedia.org/wiki/Lineare_Algebra) kennen physikalisch mit Leben zu füllen. [Eigenwertprobleme](https://de.wikipedia.org/wiki/Verallgemeinertes_Eigenwertproblem) sind von entscheidender Bedeutung bei der Beschreibung stationärer Zustände in der Physik.
- Sie untersuchen wichtige, nicht-alltägliche und zunächst nicht-intuitiv anmutende Eigenschaften des [symmetrischen Kreisels](https://de.wikipedia.org/wiki/Symmetrischer_Kreisel), wie [Nutation](https://de.wikipedia.org/wiki/Nutation_(Physik)) und [Präzession](https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession) und bestimmen daraus die [Trägheitsmomente](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsmoment) $\Theta_{i}$ entlang der [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) eines [kardanisch gelagerten](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) Kreisels.
- Als historische Anwendung diskutieren Sie die Funktionsweise des [Kreiselkompass](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreiselkompass).
- Sie vergegenwärtigen sich die Bedeutung von **Skalaren, Vektoren und Tensoren**.
- Mit dem **[Trägheitstensor](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitstensor) $\boldsymbol{\Theta}$** beschäftigen Sie sich mit einer der experimentell zugänglichsten und noch anschaulichsten Tensorgrößen in der klassischen Physik. Dabei haben Sie die Möglichkeit mathematisch abstrakte Konzepte, wie [Eigenwert](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren), [Eigenvektor](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren) oder [Hauptachsentransformation](https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptachsentransformation), die Sie aus der [linearen Algebra](https://de.wikipedia.org/wiki/Lineare_Algebra) kennen physikalisch mit Leben zu füllen. [Eigenwertprobleme](https://de.wikipedia.org/wiki/Verallgemeinertes_Eigenwertproblem) sind von entscheidender Bedeutung bei der Beschreibung stationärer Zustände in der Physik.
- Sie untersuchen wichtige, nicht-alltägliche und zunächst nicht-intuitiv anmutende Eigenschaften des **[symmetrischen Kreisels](https://de.wikipedia.org/wiki/Symmetrischer_Kreisel), wie [Nutation](https://de.wikipedia.org/wiki/Nutation_(Physik)) und [Präzession](https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession)** und bestimmen daraus die [Trägheitsmomente](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsmoment) $\theta_{i}$ entlang der [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) eines [kardanisch gelagerten](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) Kreisels.
- Als (historische) Anwendung vergegenwährtigen Sie sich die Funktionsweise des [Kreiselkompasses](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreiselkompass).
## Versuchsaufbau
Dieser Versuch ist zweigeteilt. Im Folgenden sind die verwendeten Aufbauten kurz beschrieben. Eine Auflistung der für ihre Auswertung wichtigen Bauteile und deren Eigenschaften finden Sie in der Datei [Datenblatt.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/Datenblatt.md).
Dieser Versuch ist zweigeteilt. Im Folgenden sind die verwendeten Aufbauten kurz beschrieben. Eine Auflistung der für Ihre Auswertung wichtigsten Bauteile und deren Eigenschaften finden Sie in der Datei [Datenblatt.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/Datenblatt.md).
### Physik starrer Körper
......@@ -42,7 +42,7 @@ Im ersten Versuchsteil machen Sie ganz persönliche Erfahrungen mit der Physik s
Hierzu stehen Ihnen die folgenden Utensilien zur Verfügung:
- Ein Drehschemel und ein Rad mit Zugband und Griffen (im Folgenden auch als Fahrradkreisel bezeichnet).
- Eine Sammlung von Holzquadern, die Sie in ihren Schwerpunkten zu jeder Grundfläche an einem Draht aufhängen können. Der Draht kann mit Hilfe eines externen Elektromotors in Drehung versetzt werden, so dass Sie das Verhalten der Holzquader bezüglich jeder Ihrer Hauptachsen untersuchen können.
- Eine Sammlung von Holzquadern, die Sie in ihren Schwerpunkten zu jeder Grundfläche an einem Draht aufhängen können. Der Draht kann mit Hilfe eines externen Elektromotors in (langsame) Drehung versetzt werden, so dass Sie das Verhalten der Holzquader bezüglich jeder Ihrer Hauptachsen untersuchen können.
- Ein [kardanisch gelagerter](https://de.wikipedia.org/wiki/Kardanische_Aufh%C3%A4ngung) [Kreiselkompass](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreiselkompass) auf einer drehbahren tellerförmigen Standfläche. Die Standfläche dient als Ersatz für die rotierende Erde. Der Kreisel lässt sich gegen die Standfläche verkippen, um variierende Breitengrade nachzustellen. Der innere Kardanrahmen des Kreisels ist mit Schraubenfedern in der angenommenen Tangential- (Horizontal-)ebene des eingestellten Breitengrads fixiert. Der Rotor des Kreisels kann mit Hilfe einer aufsetzbaren Antriebskurbel in Rotation versetzt werden. Die Standfläche wiederum kann mit Hilfe eines externen Elektromotors in eine langsame gleichmäßige Rotation versetzt werden, um die Revolution der Erde zu simulieren.
### Kardanisch gelagerter Kreisel
......@@ -51,7 +51,7 @@ Im zweiten Versuchsteil nehmen Sie quantitative Untersuchungen an einem kardanis
<img src="./figures/KardanischerKreisel.png" width="900" style="zoom:100%;" />
Der Rotor des Kreisels wird durch zwei Kardanrahmen gehalten. An den äußeren Kardanrahmen lassen sich (beidseitig) zwei Zylinder oder (einseitig) ein Metallstab, als zusätzliche Gewichte anbringen. Mit Hilfe der symmetrisch zu montierenden Zylinder erhöhen Sie das Trägheitsmoment entlang einer der Hauptträgheitsachsen des Kreisels. Mithilfe des Stabs sorgen Sie dafür, dass ein resultierendes Drehmoment auf den Kreisel wirkt, der dadurch nicht mehr momentenfrei lagert und in [Präzession](https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession) versetzt wird. Frequenzmessungen nehmen Sie mit Hilfe von Photosensoren mit eingebauten Lichtquellen vor, die zur flexibleren Handhabe auf [Schwanenhalshalterungen](https://de.wikipedia.org/wiki/Schwanenhals_(Halterung)) montiert sind. Aus den durchgeführten Messungen können Sie auf geschickte Weise die Trägheitsmomente entlang der Hauptträgheitsachsen des Kreisels experimentell bestimmen und die Masse des Rotors abschätzen.
Der Rotor des Kreisels wird durch zwei Kardanrahmen gehalten. An den äußeren Kardanrahmen lassen sich (beidseitig) zwei Zylinder, als zusätzliche Gewichte anbringen. An den inneren Kardanrahmen kann (einseitig) ein Metallstab angebracht werden. Mit Hilfe der symmetrisch zu montierenden Zylinder erhöhen Sie das Trägheitsmoment entlang einer der Hauptträgheitsachsen des Kreisels. Mithilfe des Stabs sorgen Sie dafür, dass ein resultierendes Drehmoment auf den Kreisel wirkt, der dadurch nicht mehr drehmomentenfrei lagert und in [Präzession](https://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession) versetzt wird. Frequenzmessungen nehmen Sie mit Hilfe von Photosensoren mit eingebauten Lichtquellen vor, die zur flexibleren Handhabe auf [Schwanenhalshalterungen](https://de.wikipedia.org/wiki/Schwanenhals_(Halterung)) montiert sind. Aus den durchgeführten Messungen können Sie auf geschickte Weise die Trägheitsmomente entlang der Hauptträgheitsachsen des Kreisels experimentell bestimmen und die Masse des Rotors abschätzen.
## Wichtige Hinweise zum Versuch
......@@ -60,7 +60,8 @@ Der Rotor des Kreisels wird durch zwei Kardanrahmen gehalten. An den äußeren K
# Navigation
- Wichtige Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung von Aufgabe 1 finden Sie in der Datei [Hinweise-Aufgabe-1.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md).
- Wichtige Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung von Aufgabe 2 finden Sie in der Datei [Hinweise-Aufgabe-2.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md).
- Wichtige technische Daten zum Versuch finden Sie in der Datei [Datenblatt.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/Datenblatt.md).
- [Kreisel.iypnb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/Kreisel.ipynb): Aufgabenstellung und Vorlage fürs Protokoll.
- [Kreisel_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/Kreisel_Hinweise.ipynb): Hinweise zu den Aufgaben.
- [Datenblatt.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/Datenblatt.md): Technische Details zu den Versuchsaufbauten.
- [doc](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/doc): Dokumente zur Vorbereitung auf den Versuch.
- [figures](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/figures): Bilder, die für die Dokumentation des Versuchs verwendet wurden.