diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md index c076a09e6023a6447a75dfab67eba2f1e97a5700..417eec9a06d3dd02c6281a9ffdb12396dcec2af8 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md @@ -2,15 +2,15 @@ ## Aufgabe 1: Physik starrer Körper [1/2] -### Von Winkelgeschwindigkeit bis Trägheitstensor +### Winkelgeschwindigkeit und Trägheitstensor -Zur Beschreibung der Dynamik des Massepunkts in der Mechanik verwenden wir die physikalischen Größen Geschwindigkeit $\vec{v}$, Impuls $\vec{p}$ und Kraft $\vec{F}$. Mit dem Kreisel betrachten wir einen ausgedehnten, starren Körper, in Rotation, zu dessen Beschreibung wir zu $\vec{v}$, $\vec{p}$ und $\vec{F}$ äquivalente Größen heranziehen: +Zur Beschreibung der Dynamik des Massepunkts in der Mechanik verwenden wir die physikalischen Größen Geschwindigkeit ($\vec{v}$), Impuls ($\vec{p}$) und Kraft ($\vec{F}$). Mit dem Kreisel betrachten wir einen ausgedehnten, starren Körper, in Rotation, zu dessen Beschreibung wir zu $\vec{v}$, $\vec{p}$ und $\vec{F}$ äquivalente Größen heranziehen: - Das Äquivalent zu $\vec{v}$ ist die **Winkelgeschwindigkeit** $\vec{\omega}$; - das Äquivalent zu $\vec{p}$ ist der **Drehimpuls** $\vec{L}$; und - das Äquivalent zu $\vec{F}$ ist das **Drehmoment** $\vec{M}$. -Für ein gegebenes Massenelement $\delta m$ wird der Zusammenhang dieser Größen zueinander durch das äußere Produkt ([Kreuzprodukt](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreuzprodukt)) "$\times$" mit dem Ortsvektor $\vec{r}$ des Massenelements hergestellt: +Für ein gegebenes Massenelement $\mathrm{d}m$ wird der Zusammenhang dieser Größen zueinander durch das äußere Produkt ([Kreuzprodukt](https://de.wikipedia.org/wiki/Kreuzprodukt)) "$\times$" mit dem Ortsvektor $\vec{r}$ des Massenelements hergestellt: $$ \begin{equation*} \vec{v} = \vec{r}\times \vec{\omega}; \qquad @@ -18,28 +18,28 @@ $$ \vec{M} = \vec{r}\times \vec{F}. \\ \end{equation*} $$ -Ein Zusammenhang zwischen $\vec{L}$ und $\vec{\omega}$ ergibt sich aus +Ein Zusammenhang zwischen $\vec{L}$ und $\vec{\omega}$ ergibt sich daraus zu $$ \begin{equation} -\vec{L} = \vec{r}\times\vec{p} = \delta m\left(\vec{r}\times\vec{v}\right) = \delta m\left(\vec{r}\times\left(\vec{r}\times\vec{\omega}\right)\right). +\vec{L} = \vec{r}\times\vec{p} = \mathrm{d}m \left(\vec{r}\times\vec{v}\right) = \mathrm{d}m \left(\vec{r}\times\left(\vec{r}\times\vec{\omega}\right)\right). \end{equation} $$ -Um das doppelte Kreuzprodukt in Gleichung **(1)** weiter zu verstehen, können wir auf eine Regel aus der [analytischen Geometrie](https://de.wikipedia.org/wiki/Analytische_Geometrie) (die sog. "bac-cab"-Regel) zurückgreifen: +Um das doppelte Kreuzprodukt in Gleichung **(1)** weiter zu aufzulösen, können wir auf eine Regel aus der [analytischen Geometrie](https://de.wikipedia.org/wiki/Analytische_Geometrie) (die sog. "bac-cab"-Regel) zurückgreifen: $$ \begin{equation*} \vec{a}\times\vec{b}\times\vec{c} = \big(\vec{b}\cdot\vec{a}\big)\,\vec{c} - \big(\vec{c}\cdot\vec{a}\big)\,\vec{b} \end{equation*} $$ -Das Kreuzprodukt $\vec{b}\times\vec{c}$ kann durch einen Vektor $\vec{\kappa}$ beschrieben werden, der senkrecht auf die aus $\vec{b}$ und $\vec{c}$ aufgespannte Ebene steht. Das erneute Kreuzprodukt $\vec{a}\times\vec{\kappa}$ führt auf einen Vektor, der wiederum in diese Ebene fällt. Als Konsequenz kann dieser Vektor als eine Linearkombination aus $\vec{b}$ und $\vec{c}$ geschrieben werden. Die Linearkombination ergibt sich aus den vorangestellten [Skalarprodukten](https://de.wikipedia.org/wiki/Skalarprodukt). +Das Kreuzprodukt $\vec{b}\times\vec{c}$ kann durch einen Vektor $\vec{\kappa}$ beschrieben werden, der senkrecht auf die aus $\vec{b}$ und $\vec{c}$ aufgespannte Ebene steht. Das erneute Kreuzprodukt $\vec{a}\times\vec{\kappa}$ führt auf einen Vektor, der wiederum in diese Ebene fällt. Als Konsequenz kann dieser Vektor als eine Linearkombination aus $\vec{b}$ und $\vec{c}$ geschrieben werden. Diese Linearkombination ergibt sich aus den vorangestellten [Skalarprodukten](https://de.wikipedia.org/wiki/Skalarprodukt). Anwendung auf Gleichung **(1)** führt auf: $$ \begin{equation} \begin{split} -&\vec{L} = \delta m\left(r^{2}\vec{\omega} - \big(\vec{\omega}\cdot\vec{r}\big)\vec{r}\right)\\ +&\vec{L} = \mathrm{d}m \left(r^{2}\vec{\omega} - \big(\vec{\omega}\cdot\vec{r}\big)\vec{r}\right)\\ &\\ -&L_{i} = \underbrace{\delta m\left(r^{2}\delta_{ij} - r_{i}r_{j}\right)}\omega_{j}.\\ -&\hphantom{L_{i} = \delta m\,r^{2}\,\,}\equiv \Theta_{ij}\\ +&L_{i} = \underbrace{\mathrm{d}m \left(r^{2}\delta_{ij} - r_{i}r_{j}\right)}\omega_{j}.\\ +&\hphantom{L_{i} = \mathrm{d}m \,r^{2}\,}\equiv \Theta_{ij}\\ \end{split} \end{equation} $$ @@ -58,20 +58,21 @@ $$ bezeichnen wir als [Trägheitstensor](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitstensor). Aufgrund seines Transformationsverhaltens unter Drehungen im Raum handelt es sich um einen Tensor 2. Stufe. Konkret als Matrix ausgeschrieben hat $\boldsymbol{\Theta}$ die Form: $$ \begin{equation} -\boldsymbol{\Theta} = \delta m +\boldsymbol{\Theta} = \mathrm{d}m \left( \begin{array}{ccc} r^{2}-x^{2} & x\,y & x\,z \\ y\,x & r^{2}-y^{2} & y\,z \\ z\,x & z\,y & r^{2}-z^{2} \\ \end{array} -\right) +\right). \end{equation} $$ +Der Trägheitstensor ist durch seine Konstruktion symmetrisch ($\Theta_{ij}=\Theta_{ji}$). Die drei Diagonalelemente von $\boldsymbol{\Theta}$ (die wir im Folgenden auch mit $(\theta_{i};\hspace{0.1cm}i=x,y,z)$ bezeichnen werden) heissen [Trähgeitsmomente](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsmoment). Die drei nicht-diagonalen Elemente heissen [Deviationsmomente](https://de.wikipedia.org/wiki/Deviationsmoment). -### Bestimmung von $\vec{L}$ aus $\vec{\omega}$ als Eigenwertproblem +### Eigenwertproblem -Bei Gleichung **(2)** handelt es sich um ein gekoppeltes [lineares Gleichungssystem](https://de.wikipedia.org/wiki/Lineares_Gleichungssystem) der Form +Schreibt man Gleichung **(2)** aus erhält man ein gekoppeltes [lineares Gleichungssystem](https://de.wikipedia.org/wiki/Lineares_Gleichungssystem) der Form $$ \begin{equation} \left( @@ -96,38 +97,40 @@ L_{z} \\ \omega_{y} \\ \omega_{z} \\ \end{array} -\right) +\right), \end{equation} $$ -für das $\boldsymbol{\Theta}$ einer linearen Abbildung von $\mathbb{R}^{3}\to\mathbb{R}^{3}$ in der Darstellung einer $3\times3$-Matrix entspricht. In bestimmten Fällen kann ein solches Gleichungssystem, durch geeignete Transformationen +wofür wir $\boldsymbol{\Theta}$ als $3\times3$-Matrix verwendet haben. In bestimmten Fällen kann ein solches Gleichungssystem, durch eine Transformation $\bold{U}$ auf eine geeignete Basis $$ \begin{equation*} -\boldsymbol{\widetilde{\Theta}} = \bold{U}^{-1}\cdot\boldsymbol{\Theta}\cdot\bold{U} +\boldsymbol{\widetilde{\Theta}} = \bold{U}\cdot\boldsymbol{\Theta}\cdot\bold{U}^{-1} \end{equation*} $$ -entkoppelt werden, so dass $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ die Form einer [Diagonalmatrix](https://de.wikipedia.org/wiki/Diagonalmatrix) annimmt. Die Suche nach solchen Abbildungen $\bold{U}$ bezeichnet man als [Eigenwertproblem](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren). Die Matrix $\bold{U}$ führt die Basisvektoren des Vektors +entkoppelt werden, so dass $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ die Form einer [Diagonalmatrix](https://de.wikipedia.org/wiki/Diagonalmatrix) annimmt. Die Suche nach solchen Abbildungen $\bold{U}$ bezeichnet man als [Eigenwertproblem](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren). Die Matrix $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ führt die Basisvektoren des Vektors $$ \begin{equation*} \vec{\tilde{\omega}} = \bold{U}\cdot\vec{\omega} \end{equation*} $$ -bis auf die Multiplikation mit dem Eigenwert $\theta_{i}$ in sich selbst über. Die Transformation $\bold{U}$ entspricht also einem Wechsel in eine Einheitsbasis, die durch $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ in sich selbst abgebildet wird. +bis auf die Multiplikation mit dem Eigenwert $\theta_{i}$ in sich selbst über. Die Transformation $\bold{U}$ entspricht also einem Wechsel von einer beliebigen Orthonormalbasis in eine Orthonormalbasis, die durch $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ in sich selbst abgebildet wird. -Wie Sie sich selbst aus Gleichung **(3)** überzeugen können besitzt der Trägheitstensor die Eigenschaft **symmetrisch** zu sein, was für die Lösung des Eigenwertproblems weitreichende Konsequenzen hat: +### Hauptachsentransformation -- Für symmetrische Abbildung ist das Eigenwertproblem **immer lösbar**. Unter den Eigenwerten kann jedoch [Entartung](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren#Berechnung_der_Eigenwerte) vorliegen. +Die Eigenschaft, dass der Trägheitstensor aus Gleichung **(3)** **symmetrisch** ist, hat für die Lösung des Eigenwertproblems die folgenden weitreichenden Konsequenzen: + +- Für symmetrische Abbildung ist das Eigenwertproblem **immer lösbar**. Die Eigenwerte können allerdings n-fach [entartet](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren#Berechnung_der_Eigenwerte) vorliegen. - Die Eigenwerte sind **immer reell**. - Die durch die zugehörigen Eigenvektoren aufgespannten Unterräume stehen **immer senkrecht aufeinander**. -Die Matrizen $\bold{U}$ zur Diagonalisierung von $\boldsymbol{\Theta}$ sind Rotationsmatrizen $\bold{R}$ mit der definierenden Eigenschaft: +Die Matrizen $\bold{U}$ zur Diagonalisierung von $\boldsymbol{\Theta}$ sind in diesem Fall Rotationsmatrizen $\bold{R}$ mit der (definierenden) Eigenschaft: $$ \begin{equation*} \bold{R}^{-1} = \bold{R}^{\intercal}. \end{equation*} $$ -In diesem Fall hat die Lösung des Eigenwertproblems also eine **anschauliche geometrische Bedeutung**: +Die Lösung des Eigenwertproblems gewinnt dadurch eine **anschauliche geometrische Bedeutung**: -Es ist die Drehung von einem allgemeinen in ein spezielles Bezugssystem, in dem die Eigenvektoren des Problems parallel zu den [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) des starren Körpers verlaufen. Diese Achsen sind durch die Form und Massenbelegung des Körpers vorgegeben. +Es handelt sich um die Drehung von einem allgemeinen in ein spezielles Bezugssystem, in dem die Eigenvektoren des Problems aus Gleichung **(2)** parallel zu den [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) des starren Körpers verlaufen. Diese Achsen sind durch die Form und Massenbelegung des Körpers vorgegeben. Das Eigenwertproblem erhält aufgrund dieser Besonderheiten den eigenen Namen [Hauptachsentransformation](https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptachsentransformation). Nach Hauptachsentransformation hat Gleichung **(4)** die einfache Form: $$ @@ -161,33 +164,9 @@ $$ L_{i} = \theta_{i}\,\delta_{ij}\,\omega_{j}. \end{equation*} $$ - -### Bestimmung eines beliebigen Trägheitsmoments aus dem Trägheitstensor - -Es macht nur Sinn von einem Trägheitsmoment $\theta_{\hat{n}}$ eines starren Körpers bezüglich einer Achse $\hat{n}$ zu sprechen, um die der Körper rotiert. Beim Trägheitstensor $\boldsymbol{\Theta}$ handelt es sich um eine lineare Abbildung von $\vec{\omega}$ auf $\vec{L}$, die i.a. als $3\times3$-Matrix dargestellt wird. Beim Trägheitsmoment $\theta_{\hat{n}}$ handelt es sich um eine Zahl. Aus $\boldsymbol{\Theta}$ erhät man $\theta_{\hat{n}}$ aus der beidseitigen Multiplikation von $\boldsymbol{\Theta}$ mit $\hat{n}$: -$$ -\begin{equation*} -\begin{split} -\theta &= \delta m \, n_{i}\left(r^{2}\delta_{ij}-r_{i}r_{j}\right)n_{j} \\ -&\\ -&=\delta m\,\left(r^{2}n_{i}^{2} - \big(n_{i}\, r_{i}\big)\big(n_{j}\,r_{j}\big)\right) \\ -&\\ -&=\delta m\,\left(r^{2}\hat{n}^{2} - \big(\hat{n}\cdot\vec{r}\big)^{2}\right) \\ -&\\ -&=\delta m\,\left(r^{2} - \big(\hat{n}\cdot\vec{r}\big)^{2}\right) \\ -\end{split} -\end{equation*} -$$ -Auch dieses Ergebnis hat eine anschauliche Bedeutung, wie in **Skizze 1** dargestellt: - -<img src="../figures/Trägheitsmoment.png" width="900" style="zoom:100%;" /> - -**Skizze 1** (Anschauliche Bedeutung des Trägheitsmoments $\theta_{\hat{n}}$) - ---- - -Das Trägheitsmoment $\theta_{\hat{n}}$ jedes Massenelements $\delta m$ eines starren Körpers berechnet sich aus dessen Abstand $\vec{r}_{\perp}$ senkrecht zu $\hat{n}$. +Die $\{\theta_{i}\}$ heisst in diesem Fall Hauptträgheitsmomente. # Navigation -[Main](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p1-for-students/-/tree/main/Geometrische_Optik) | [Weiter](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p1-for-students/-/blob/main/Geometrische_Optik/doc/Hinweise-Aufgabe-1-a.md) +[Main](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel) | [Weiter](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md) + diff --git a/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.odg b/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.odg index da440ffa003ef8902d08e24e50586f8e855c0636..5caab1ab542cff1c22c5ca721c35badf0b31d8a3 100644 Binary files a/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.odg and b/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.odg differ diff --git a/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.png b/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.png index 9e615e53f4aeebabbbe4661f09ab492658e8013e..40c643c9e180d5df900aef75a4c1d9104133c570 100644 Binary files a/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.png and b/Kreisel/figures/Traegheitsmoment.png differ