diff --git a/Kreisel/README.md b/Kreisel/README.md index 4230e6ff21d7135a0d9ac542bfdd1d8f6a21512e..9a1fa3f5866f380673e3cb44dbdfb832e8ba618a 100644 --- a/Kreisel/README.md +++ b/Kreisel/README.md @@ -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, geben wir Ihnen 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, 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. ## 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 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. +- 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). ## Versuchsaufbau -Dieser Versuch ist dreigeteilt. 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://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p1-for-students/-/blob/main/Kreisel/Datenblatt.md). +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://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p1-for-students/-/blob/main/Kreisel/Datenblatt.md). ### Physik starrer Körper @@ -37,26 +37,21 @@ Im ersten Versuchsteil machen Sie ganz persönliche Erfahrungen mit der Physik s <img src="./figures/VektorGeometrie.png" width="900" style="zoom:100%;" /> +<img src="./figures/Kreiselkompass.png" width="900" style="zoom:100%;" /> + Hierzu stehen Ihnen die folgenden Utensilien zur Verfügung: -- Ein Drehschemel und ein Rad mit Zugband und Griffen. +- 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. +- 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 -Im zweiten Versuchsteil nehmen Sie Untersuchungen an einem kardanisch gelagerten Kreisel vor, den Sie mit Hilfe eines externen Elektromotors antreiben können. +Im zweiten Versuchsteil nehmen Sie quantitative Untersuchungen an einem kardanisch gelagerten Kreisel vor, den Sie mit Hilfe eines externen Elektromotors antreiben können. <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 versetzt wird. Frequenzmessungen nehmen Sie mit Hilfe von Photosensoren mit eingebauten Lichtquellen vor, die zur flexiblen Handhabe auf sog. Schwanenhälsen 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. - -### Kreiselkompass - -Der dritte Versuchsteil ist, so wie der erste Versuchsteil, qualitativer Natur. Hier können Sie anhand eines Modells die Funktionsweise des Kreiselkompass studieren und diskutieren. - -<img src="./figures/Kreiselkompass.png" width="900" style="zoom:100%;" /> - -Der Kreisel lässt sich gegen seine tellerförmige Standfläche kippen. Der Winkel zwischen dem äußeren Kardanrahmen des Kreisels und der Standfläche ist auf 30° voreingestellt, was einer Position auf dem 30. Breitengrad der Erde entspricht. Der innere Kardanrahmen ist mit Schraubenfedern in der angenommenen Tangential- (Horizontal-)ebene auf diesem Breitengrad fixiert. Der Rotor des Kreisels kann mit Hilfe einer aufsetzbaren Antriebskurbel in Rotation versetzt werden. Die Standplatte kann mit Hilfe eines externen Elektromotors in eine langsame gleichmäßige Rotation versetzt werden, um die Drehung die Revolution der Erde zu simulieren. +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. ## Wichtige Hinweise zum Versuch diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-a.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-a.md index a7106e3f680484e0c7b7e46b3ed0cf742a76e47b..60b7e24f7c78d3d8fb6528a2d12037e1a947fd99 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-a.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-a.md @@ -30,7 +30,7 @@ Das Trägheitsmoment $\theta_{\hat{n}}$ jedes Massenelements $\mathrm{d}m$ eines ### Trägheitsellipsoid -Um das Trägheitsmoment um eine beliebige Achse $\hat{n}$ eines ausgedehnten Körpers zu berechnen ist über alle Massenelemente $\mathrm{d}m$ zu integrieren. Wir beschreiben hierzu die Lage von $\hat{n}$ in einem körperfesten Koordinatensystem $K$, dessen Ursprung im Schwerpunkt des Körpers liegt, mit den drei Winkeln $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ mit +Um das Trägheitsmoment um eine beliebige Achse $\hat{n}$ eines ausgedehnten Körpers zu berechnen ist über alle Massenelemente $\mathrm{d}m$ des Körpers zu integrieren. Wir beschreiben hierzu die Lage von $\hat{n}$ in einem körperfesten Koordinatensystem $K$, dessen Ursprung im Schwerpunkt des Körpers liegt, mit den drei Winkeln $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ mit $$ \begin{equation*} \hat{n} = @@ -70,13 +70,13 @@ $$ \end{split} \end{equation} $$ -Die $\{\theta_{i}\}$ sind die **Trägheitsmomente**, die $\{\Theta_{ij}\}$ die **Deviationsmomente** in den Koordinaten von $K$. Ist $K$ beliebig gewählt sind die $\{\Theta_{ij}\}$ ungleich 0. Nach Hauptachsentransformation (ins Koordinatensystem $\widetilde{K}$) gilt +Die $\{\theta_{i}\}$ und $\{\Theta_{ij}\}$ sind die (zunächst nur für ein Massenelement eingeführten) **Trägheits-** und **Deviationsmomente** in den Koordinaten von $K$. Ist $K$ beliebig gewählt sind die $\{\Theta_{ij}\}$ ungleich 0. Nach Hauptachsentransformation (ins Koordinatensystem $\widetilde{K}$) gilt $$ \begin{equation*} \Theta_{ij}=0 \qquad \forall\,i,j=x, \,y, \,z \text{ und }i\neq j \end{equation*} $$ -Und die $\{\theta_{i}\}$ sind die Hauptträgheitsmomente. Aus Gleichung **(1)** ist zu erkennen, dass die bilinearen Deviationsmomente verschwinden, wenn sich eine Rotationsachse $\hat{n}$ finden lässt bezüglich derer die Massenbelegung des Körpers symmetrisch ist, weshalb für homogene, symmetrische Körper die Hauptträgheitsachsen mit den Figurenachsen der Körper zusammenfallen. +Und die $\{\theta_{i}\}$ entsprechen den Hauptträgheitsmomenten. Aus Gleichung **(1)** ist zu erkennen, dass die bilinearen Deviationsmomente verschwinden, wenn sich eine Rotationsachse $\hat{n}$ finden lässt bezüglich derer die Massenbelegung des Körpers symmetrisch verteilt ist, weshalb für homogene, symmetrische Körper die Hauptträgheitsachsen mit den Symmetrie- oder [Figurenachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Figurenachse) der Körper zusammenfallen. Trägt man den sog. Trägheitsmodul entlang der Achse $\hat{n}$ als $$ @@ -100,14 +100,14 @@ x_{\hat{n}}\\y_{\hat{n}}\\z_{\hat{n}} \right), \end{equation*} $$ -dann bilden die Endpunkte der $\vec{r}_{\hat{n}}$ das sog. [Trägheitsellipsoid](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsellipsoid), dessen allgemeine analytische Form +dann bilden die Endpunkte der $\vec{r}_{\rho_{\hat{n}}}$ das sog. [Trägheitsellipsoid](https://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsellipsoid), dessen allgemeine analytische Form $$ \begin{equation} \theta_{\hat{}n} = \frac{1}{\rho_{\hat{n}}^{2}}\left(x_{\hat{n}}^{2}\,\theta_{x} + y_{\hat{n}}^{2}\,\theta_{y} + z_{\hat{n}}^{2}\,\theta_{z} -2\left(x_{\hat{n}}y_{\hat{n}}\Theta_{xy} + y_{\hat{n}}z_{\hat{n}}\Theta_{yz} + x_{\hat{n}}z_{\hat{n}}\Theta_{xz}\right)\right) \end{equation} $$ -man durch Einsetzen in Gleichung **(1)** erhält. Das Trägheitsellipsoid besitzt drei Hauptachsen. Durch Gleichung **(3)** wird die Lage des Ellipsoids in einem allgemeinen Koordinatensystem $K$, wie in Skizze 2 gezeigt, beschrieben. +man durch Einsetzen in Gleichung **(1)** erhält. Das Trägheitsellipsoid besitzt drei Hauptachsen. Durch Gleichung **(3)** wird die Lage des Ellipsoids in einem allgemeinen Koordinatensystem $K$, wie in **Skizze 2** gezeigt, beschrieben. <img src="../figures/Traegheitsellipsoid.png" width="900" style="zoom:100%;" /> @@ -127,7 +127,7 @@ $$ \end{split} \end{equation*} $$ -Die (kleinste) größte Hauptachse des Trägheitsellipsoids entspricht dabei dem (größten) kleinsten Hauptträgheitsmoment. +Die (kleinste) größte Hauptachse des Trägheitsellipsoids entspricht dabei dem (größten) kleinsten Hauptträgheitsmoment. Die Rotationen des Kreisels um diese beiden Achsen erfolgen stabil. diese beiden Achsen werden daher auch als freie Achsen bezeichnet. Drehungen des Kreisels um die Achse zum mittleren Hauptträgheitsmoment sind metastabil. ### Klassifikation von Kreiseln diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-b.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-b.md index 04a5d170e18d22bd95e543479374963a9c3de749..f0269a14980b3542917b5bdfa1861df19f3c4104 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-b.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1-b.md @@ -6,13 +6,33 @@ #### Aufgabe 1.1 Drehimpulserhaltung -Es gibt mehrere Versuche, die Sie mit Hilfe des Drehschemels und des Rads mit Zugband durchführen können um sich mit den Eigenschaften rotierender starrer Körper vertraut zu machen. Wir geben im folgenden einige Anregungen: +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, die diesen dann an Sie übergibt. +- Gehen Sie wie oben vor, aber drehen Sie den Fahrradkreisel langsam von der Vertikalen um 180 Grad 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 und dokumentieren Sie Ihre Erfahrungen. #### Aufgabe 1.2 Trägheitstensor -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 und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen. +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 und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen. Gerne können sie Ihre Beobachtungen durch Skizzen und Photographien unterstützen. Beginnen Sie dabei mit geringen Rotationsgeschwindigkeiten. + +#### Aufgabe 1.3 Kreiselkompass + +Die Funktionsweise des Kreiselkompasses basiert auf dem Phänomen der Präzession 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-Aufgabe-2-a.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2-a.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 eine Ausrichtung des Kreisels entgegen der Haftreibung der Lagerung des äußeren Kardanrahmens zu erreichen. Daher steht der Kreisel auf einer drehbaren Bodenplatte, die mit Hilfe eines Elektromotors mit höherer Winkelgeschwindigkeit 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 trotz allem in langsame Rotation. Stellen Sie diese zu hoch ein 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. # Navigation diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md index 7e9fd2fc133ec8e246f080f967ef2b2df9cd5fbc..f34968fadf9e821a3362c162e7d32aaf8853f3a6 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md @@ -4,13 +4,13 @@ ### Winkelgeschwindigkeit und Trägheitstensor -In der Mechanik verwenden wir zur Beschreibung der Dynamik eines Massepunkts die physikalischen Größen Geschwindigkeit ($\vec{v}$), Impuls ($\vec{p}$) und Kraft ($\vec{F}$). Mit dem Kreisel betrachten wir einen rotierenden, starren Körper, mit endlicher Ausdehnung, zu dessen Beschreibung wir zu $\vec{v}$, $\vec{p}$ und $\vec{F}$ äquivalente Größen heranziehen: +In der Mechanik verwenden wir zur Beschreibung der Dynamik eines Massepunkts die physikalischen Größen Geschwindigkeit ($\vec{v}$), Impuls ($\vec{p}$) und Kraft ($\vec{F}$). Mit dem Kreisel betrachten wir einen rotierenden, [starren Körper](https://de.wikipedia.org/wiki/Starrer_K%C3%B6rper), mit endlicher Ausdehnung, 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 $\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: +Für ein gegebenes (infinitesimales) 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 @@ -24,7 +24,7 @@ $$ \vec{L} = \vec{r}\times\vec{p} = \mathrm{d}m \left(\vec{r}\times\vec{v}\right) = \mathrm{d}m \left(\vec{r}\times\left(\vec{r}\times\vec{\omega}\right)\right). \end{equation} $$ -Um das doppelte Kreuzprodukt in Gleichung **(1)** weiter zu aufzulösen, 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 diskutieren, greifen wir auf eine Regel aus der [analytischen Geometrie](https://de.wikipedia.org/wiki/Analytische_Geometrie) (die sog. "bac-cab"-Regel) zurück: $$ \begin{equation*} \vec{a}\times\vec{b}\times\vec{c} = \big(\vec{b}\cdot\vec{a}\big)\,\vec{c} - \big(\vec{c}\cdot\vec{a}\big)\,\vec{b} @@ -106,13 +106,13 @@ $$ \boldsymbol{\widetilde{\Theta}} = \bold{U}\cdot\boldsymbol{\Theta}\cdot\bold{U}^{-1} \end{equation*} $$ -entkoppelt werden, so dass $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ die Form einer [Diagonalmatrix](https://de.wikipedia.org/wiki/Diagonalmatrix) annimmt. Die Suche nach solchen Abbildungen $\bold{U}$ bezeichnet man als [Eigenwertproblem](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren). Die Matrix $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ führt die Basisvektoren des Vektors +entkoppelt werden, so dass $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ die Form einer [Diagonalmatrix](https://de.wikipedia.org/wiki/Diagonalmatrix) annimmt. Dabei entspricht $\bold{U^{-1}}$ der Inversen von $\bold{U}$. Die Suche nach solchen Abbildungen $\bold{U}$ bezeichnet man als [Eigenwertproblem](https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenwerte_und_Eigenvektoren). Die Matrix $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ führt die Basisvektoren des Vektors $$ \begin{equation*} \vec{\tilde{\omega}} \equiv \bold{U}\cdot\vec{\omega} \end{equation*} $$ -bis auf die Multiplikation mit dem Eigenwert $\theta_{i}$ in sich selbst über. Die Transformation $\bold{U}$ entspricht also einem Wechsel von einer beliebigen Orthonormalbasis in eine Orthonormalbasis, die durch $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ in sich selbst abgebildet wird. +bis auf die Multiplikation mit dem Eigenwert $\theta_{i}$ in sich selbst über. Die Transformation $\bold{U}$ entspricht also einem Wechsel von einer beliebigen [Orthonormalbasis](https://de.wikipedia.org/wiki/Orthonormalbasis) in eine Orthonormalbasis, die durch $\boldsymbol{\widetilde{\Theta}}$ in sich selbst abgebildet wird. ### Hauptachsentransformation @@ -125,10 +125,10 @@ Die Eigenschaft, dass der Trägheitstensor aus Gleichung **(3)** **symmetrisch** Die Matrizen $\bold{U}$ zur Diagonalisierung von $\boldsymbol{\Theta}$ sind in diesem Fall Rotationsmatrizen $\bold{R}$ mit der (definierenden) Eigenschaft: $$ \begin{equation*} -\bold{R}^{-1} = \bold{R}^{\intercal}. +\bold{R}^{-1} = \bold{R}^{\intercal}, \end{equation*} $$ -Die Lösung des Eigenwertproblems gewinnt dadurch eine **anschauliche geometrische Bedeutung**: +wobei $\bold{R}^{\intercal}$ der Transponierten von $\bold{R}$ entspricht. Die Lösung des Eigenwertproblems gewinnt dadurch eine **anschauliche geometrische Bedeutung**: Es handelt sich um die Drehung von einem allgemeinen in ein spezielles Bezugssystem, in dem die Eigenvektoren des Problems aus Gleichung **(2)** parallel zu den [Hauptträgheitsachsen](https://de.wikipedia.org/wiki/Haupttr%C3%A4gheitsachse) des starren Körpers verlaufen. Diese Achsen sind durch die Form und Massenbelegung des Körpers vorgegeben. @@ -164,7 +164,7 @@ $$ L_{i} = \theta_{i}\,\delta_{ij}\,\omega_{j}. \end{equation*} $$ -Die $\{\theta_{i}\}$ heißen in diesem Fall Hauptträgheitsmomente. +Die $\{\theta_{i}\}$ heißen in diesem Fall **Hauptträgheitsmomente**. # Navigation diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2-a.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2-a.md index 7570c2ab7ac54bd088ea6e55192c96f13e6f151f..ad723519090a32f7dc671ae209c634dc46322f6e 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2-a.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2-a.md @@ -6,16 +6,16 @@ Die obigen Betrachtungen gelten für einen einfachen symmetrischen Kreisel. Im F $$ \begin{equation*} \begin{split} -&\theta_{x}^{\prime} = \theta_{x} + \theta_{x}^{\mathrm{K,i}}; \\ -&\theta_{y}^{\prime} = \theta_{y} + \theta_{y}^{\mathrm{K,i}} + \theta_{y}^{\mathrm{K,a}}; \\ +&\theta_{x}^{\prime} = \theta_{x} + \theta_{x}^{(i)} + \theta_{x}^{(a)}; \\ +&\theta_{y}^{\prime} = \theta_{y} + \theta_{y}^{(i)}; \\ &\theta_{z}^{\prime} = \theta_{z}, \\ \end{split} \end{equation*} $$ -wobei $\theta_{x}=\theta_{y}$ die Trägheitsmomente des Rotors, $\theta_{x,y}^{\mathrm{K,i}}$ die Trägheitsmomente des inneren und $\theta_{x,y}^{\mathrm{K,a}}$ die Trägheitsmomente des äußeren Kardanrahmens sind. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für kleine Werte von $\beta$ +wobei $\theta_{x}=\theta_{y}=\theta_{\perp}$ die Trägheitsmomente des Rotors, $\theta_{x}^{(i)}$ und $\theta_{y}^{(i)}$ die Trägheitsmomente des inneren und $\theta_{x}^{(a)}$ das Trägheitsmoment des äußeren Kardanrahmens sind. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für kleine Werte von $\beta$ $$ \begin{equation} -\omega_{N} = \frac{\theta_{z}^{\prime}}{\sqrt{\theta_{x}^{\prime}\,\theta_{y}^{\prime}}} +\omega_{N} = \omega\,\frac{\theta_{z}^{\prime}}{\sqrt{\theta_{x}^{\prime}\,\theta_{y}^{\prime}}} \end{equation} $$ @@ -41,7 +41,7 @@ $$ \mathrm{d}\vec{L} = \vec{M}\,\mathrm{dt}. \end{equation*} $$ -Da $\vec{L}$ per Konstruktion parallel zu $\vec{r}$ verläuft, gilt nach Gleichung **(2)** $\vec{M}\perp\vec{L}$, d.h. $\mathrm{d}\vec{L}$ ändert die Richtung, nicht aber den Betrag von $\vec{L}$. Diese Änderung führt zu einer Drehung von $\vec{L}$ um den Winkel +Da $\vec{L}$ per Konstruktion parallel zu $\vec{r}$ verläuft, gilt nach Gleichung **(2)** $\vec{M}\perp\vec{L}$, d.h. $\mathrm{d}\vec{L}$ ändert die Richtung, **nicht aber den Betrag** von $\vec{L}$. Diese Änderung führt zu einer Drehung von $\vec{L}$ um den Winkel $$ \begin{equation*} \mathrm{d}\varphi = \frac{\mathrm{d}L}{L_{\perp}} = \frac{M\,\mathrm{d}t}{L\sin\gamma} @@ -49,15 +49,15 @@ $$ $$ und damit zu einer Rotation des Kreisels mit der Winkelgeschwindigkeit $$ -\begin{equation*} +\begin{equation} \Omega = \frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}t} = \frac{M}{L\sin\gamma} = \frac{m\,g\,r\,\sin\gamma}{\theta_{z}\,\omega\,\sin\gamma} = \frac{m\,g\,r}{\theta_{z}\,\omega}. -\end{equation*} +\end{equation} $$ Unter Berücksichtigung der Vektorstruktur ergibt sich $$ -\begin{equation*} +\begin{equation} \vec{M}=\vec{\Omega}\times\vec{L}. -\end{equation*} +\end{equation} $$ #### Kreiselkompass @@ -66,18 +66,18 @@ Der Kreiselkompass, wie er im P1 zu Demonstrationszwecken verwendet wird, ist eb <img src="../figures/KreiselkompassSkizze.png" width="900" style="zoom:100%;" /> -**Skizze 7** (Geometrie zur Diksussion des Kreiselkompasses) +**Skizze 7** (Geometrie zur Disksussion des Kreiselkompasses) --- -Die folgende Diskussion erfordert wie wiederholte Anwendung der "Rechten-Hand-Regel". +Die folgende Diskussion erfordert wie wiederholte Anwendung der **"Rechten-Hand-Regel"** zur Auswertung der Richtung des Kreuzprodukts aus Gleichung **(3)**. -Die Erde dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec\omega_{E}$. Ein Kreiselkompass, der auf Höhe des Äquators, in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist erfährt durch die Drehung der Erde das Drehmoment $\vec{M}$. Dies führt zur Präzession mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec{\Omega}$, die die Figurenachse des Kreisels in Nord-Süd-Richtung ($\vec{L}$ im Bild nach unten) und damit parallel zu $\vec\omega_{E}$ ausrichtet. Dieser Umstand ist, in drei Positionen auf der Erde, in den unteren drei Achsen aus $\vec{L}$, $\vec{\Omega}$ und $\vec{M}$ dargestellt. +Die Erde dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec\omega_{E}$. Ein Kreiselkompass, der auf Höhe des Äquators, in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist erfährt durch die Drehung der Erde das Drehmoment $\vec{M}$. Dies führt zur Präzession mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec{\Omega}$, die die Figurenachse des Kreisels in Nord-Süd-Richtung ($\vec{L}$ im Bild nach oben) und damit parallel zu $\vec\omega_{E}$ ausrichtet. Dieser Umstand ist in **Skizze 7**, in drei Positionen entlang des Äquators, in den unteren drei Achsenkreuzen aus $\vec{\Omega}$, $\vec{L}$ und $\vec{M}$ dargestellt. -Für die weiteren Betrachtungen ist zu berücksichtigen, dass sich der Kreisel nur in horizontaler Richtung bewegen kann, während er in vertikaler Richtung *gebunden* ist. Wäre der Kreisel nicht in vertikaler Richtung gebunden, würde sich $\vec{L}$ im Bild wierdeum nach oben und damit damit parallel zu $\vec\omega_{E}$ ausrichten. Durch die Bindung ist es erforderlich $\vec{M}$ in zwei Komponenten $\vec M_{\parallel}$ (horizontal) und $\vec M_{\perp}$ (vertikal) aufzuspalten. Der Anteil $\vec M_{\parallel}$ führt zur Präzession mit $\vec\Omega_{\parallel}$, die wiederum dazu führt, dass sich der Kreisel innerhalb der Horizontalen in Nord-Süd-Richtung (im Bild richtet sich $\vec{L}$ nach unten rechts aus) ausrichtet. Der Anteil $\vec M_{\perp}$ würde zur Präzession mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec\Omega_{\perp}$ führen, die den Kreisel aus der Horizontalen in die Vertikale (im Bild richtet sich $\vec{L}$ nach unten aus) auslenken würde. Dieser Anteil der Präzession ist durch die Bindung an den entsprechenden Kardanrahmen jedoch unterbunden. Im Vergleich zum Äquator ist der Effekt der Präzession um den Faktor $\cos\beta$ reduziert. +Für die weiteren Betrachtungen ist zu berücksichtigen, dass sich der Kreisel in der jeweiligen Tangentialebene auf der Halbkugel nur in horizontaler Richtung bewegen kann, während er in vertikaler Richtung, durch die Schraubenfedern, *gebunden* ist. Wäre der Kreisel nicht in vertikaler Richtung gebunden, würde sich $\vec{L}$ im Bild wiederum nach oben und damit damit parallel zu $\vec\omega_{E}$ ausrichten. Durch die Bindung ist es erforderlich $\vec{M}$ in zwei Komponenten $\vec M_{\parallel}$ (horizontal) und $\vec M_{\perp}$ (vertikal) in der Tangentialebene auf der Halbkugel zu zerlegen. Der Anteil $\vec M_{\parallel}$ führt zur Präzession mit $\vec\Omega_{\parallel}$, die wiederum dazu führt, dass sich der Kreisel innerhalb der Horizontalen in Nord-Süd-Richtung ausrichtet. Im Bild richtet sich $\vec{L}$ nach oben links weisend aus. Der Anteil $\vec M_{\perp}$ würde zur Präzession mit der Winkelgeschwindigkeit $\vec\Omega_{\perp}$ führen, die den Kreisel aus der Horizontalen in die Vertikale (im Bild richtet sich $\vec{L}$ nach oben rechts weisend aus) ausrichten würde. **Dieser Anteil der Präzession ist durch die Bindung an den entsprechenden Kardanrahmen jedoch unterbunden.** Im Vergleich zum Äquator ist der Effekt der Präzession um den Faktor $\cos\beta$ reduziert. Am Nordpol findet keine Einstellung des Kreisels in Nord-Süd-Richtung statt. Der Kreisel würde sich senkrecht in die Vertikale drehen. Diese Drehung ist jedoch durch die Bindung an den Kardanrahmen unterbunden. # Navigation -[Zurück](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md) | [Main](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel) +[Zurück](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.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-2-b.md) diff --git a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md index 9f66ad1212e68c8fa3041a4964b94a517726dd84..eec8a80293df9be58571dec60b42effbd6224c65 100644 --- a/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md +++ b/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-2.md @@ -2,7 +2,7 @@ ## Aufgabe 2: Kardanisch gelagerter Kreisel -Im Rahmen dieser Aufgabe führen Sie quantitative Untersuchungen an einem kardanisch gelagerten Kreisel durch. Wie dieser Kreisel genau aussieht ist in **Abbildung 1** gezeigt: +Im Rahmen dieser Aufgabe führen Sie quantitative Untersuchungen an einem kardanisch gelagerten Kreisel durch. Ein Beispiel für einen solchen Kreisel ist in **Abbildung 1** gezeigt: <img src="../figures/KardanischerKreiselSkizze.png" width="900" style="zoom:100%;" /> @@ -10,11 +10,15 @@ Im Rahmen dieser Aufgabe führen Sie quantitative Untersuchungen an einem kardan --- -Er besteht aus einem **Rotor**, der in seiner Figurenachse drehbar an einem **inneren Kardanrahmen** befestigt ist. Senkrecht zur Figurenachse des Rotors ist der innere wiederum drehbar an einem **äußeren Kardanrahmen** befestigt. Der äußere Kardanrahmen ist drehbar mit einer **Bodenplatte** verbunden. Im Bild sind der Rotor schwarz, die Kardanrahmen gelb und die Bodenplatte grau zu sehen. Auf diese Weise kann sich der Rotor grundsätzlich frei im Raum drehen. +Er besteht aus einem **Rotor**, der in seiner Figurenachse drehbar an einem **inneren Kardanrahmen** befestigt ist. Senkrecht zur Figurenachse des Rotors ist der innere Kardanrahmen wiederum drehbar an einem **äußeren Kardanrahmen** befestigt. Der äußere Kardanrahmen ist drehbar mit einer **Bodenplatte** verbunden. Im Bild sind der Rotor schwarz, die Kardanrahmen gelb und die Bodenplatte grau zu sehen. Auf diese Weise kann sich der Rotor grundsätzlich frei im Raum drehen. + +Am inneren Kardanrahmen lässt sich an einer Seite eine Antriebswelle zum Anwerfen des Kreisels mit Hilfe eines Zahngetriebes ansetzen. An der anderen Seite lässt sich ein Metallstab zur Erzeugung eines resultierenden Drehmoments zur Anregung der Präzssion anschrauben. + +Am äußeren Kardanrahmen lassen sich zylinderförmige Zusatzgewichte zur Erhöhung des mit dem äußeren Kardanrahmen verbundenen Drehmoments anbringen. ### Nutation -Wir diskutieren das Phänomen der [Nutation](https://de.wikipedia.org/wiki/Nutation_(Physik)) ohne Einschränkung der Allgemeinheit am Beispiel eines kräftefrei gelagerten Kreisels, für den Richtung und Betrag von $\vec{L}$ zeitlich konstant sind. Verläuft $\vec{L}$ entlang einer der Hauptträgheitsachsen sind auch Richtung und Betrag von $\vec{\omega}$ zeitlich konstant und nach Gleichung (**(5)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md)) gilt $\vec{\omega}\parallel\vec{L}$, wie in **Skizze 3** (links) gezeigt. Wir legen unseren Betrachtungen weiterhin das Modell eines symmetrischen Kreisels, mit der Figurenachse $\hat{z}$ zugrunde. +Wir diskutieren das Phänomen der [Nutation](https://de.wikipedia.org/wiki/Nutation_(Physik)) ohne Einschränkung der Allgemeinheit am Beispiel eines kräftefrei gelagerten Kreisels, für den Richtung und Betrag von $\vec{L}$ zeitlich konstant sind. Verläuft $\vec{L}$ entlang einer der Hauptträgheitsachsen sind auch die Richtung und der Betrag von $\vec{\omega}$ zeitlich konstant und nach Gleichung (**(5)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/tree/main/Kreisel/doc/Hinweise-Aufgabe-1.md)) gilt $\vec{\omega}\parallel\vec{L}$, wie in **Skizze 3** (links) gezeigt. Zur weiteren Vereinfachung der Diskussion legen wir unseren Betrachtungen weiterhin das Modell eines symmetrischen Kreisels, mit der Figurenachse $\hat{z}$ zugrunde. <img src="../figures/FreieAchsen.png" width="900" style="zoom:100%;" /> @@ -22,18 +26,18 @@ Wir diskutieren das Phänomen der [Nutation](https://de.wikipedia.org/wiki/Nutat --- -Verläuft $\vec{L}$ nicht entlang einer der Hauptträgheitsachsen, ändert $\vec{\omega}$ die Richtung und der Kreisel vollzieht eine Nick- oder Nutationsbewegung, wie in **Skizze 4** gezeigt: +Verläuft $\vec{L}$ nicht entlang einer der Hauptträgheitsachsen, ändert $\vec{\omega}(t)$ die Richtung und der Kreisel vollzieht eine Nick- oder Nutationsbewegung, wie in **Skizze 4** gezeigt: Im raumfesten Bezugssystem $K$ umläuft die momentane Drehachse $\vec{\omega}(t)$ den (in $K$ ruhenden) Drehimpulsvektor $\vec{L}$ auf dem **Rastpolkegel** (rot). Im körperfesten Bezugssystem $\widetilde{K}$ umläuft $\vec{\omega}$ zur gleichen Zeit (die in $\widetilde{K}$ ruhende Figurenachse) $\hat{z}$ auf dem den **Gangpolkegel** (blau). Die resultierende Bewegung lässt sich durch ein schlupffreies Abrollen des Gangpolkegels auf dem Rastpolkegel in $K$ beschreiben. Auf der Berührlinie der beiden Kegel liegt $\vec{\omega}(t)$. Die Figurenachse $\hat{z}$ des Kreisels beschreibt dabei den **Nutationskegel** (schwarz) in $K$, dessen Kegelachse mit $\vec{L}$ zusammenfällt. Der genaue Ablauf dieser Bewegung hängt von der Beschaffenheit des Kreisels ab: -- Für den prolaten Kreisel ($\theta_{z}\lt\theta_{\perp}$, **Skizze 3** mittig, **Skizze 4** links) liegt $\vec{\omega}$ zwischen $\hat{z}$ und $\vec{L}$; der *äußere* Mantel des Gangpolkegels rollt auf dem äußeren Mantel des Rastpolkegels ab; in $K$ kreisen $\vec{\omega}$ und $\hat{z}$ in Phase um $\vec{L}$. -- Für den oblaten Kreisel ($\theta_{z}\gt\theta_{\perp}$, **Skizze 3** rechts, **Skizze 4** rechts) liegt $\vec{L}$ zwischen $\hat{z}$ und $\vec{\omega}$; der *innere* Mantel des Gangpolkegels rollt auf dem äußeren Mantel des Rastpolkegels ab; in $K$ kreisen $\vec{\omega}$ und $\hat{z}$ gegenphasig um $\vec{L}$. +- Für den *prolaten* Kreisel ($\theta_{z}\lt\theta_{\perp}$, **Skizze 3** mittig, **Skizze 4** links) liegt $\vec{\omega}$ zwischen $\hat{z}$ und $\vec{L}$; der *äußere* Mantel des Gangpolkegels rollt auf dem äußeren Mantel des Rastpolkegels ab; in $K$ kreisen $\vec{\omega}$ und $\hat{z}$ in Phase um $\vec{L}$. +- Für den *oblaten* Kreisel ($\theta_{z}\gt\theta_{\perp}$, **Skizze 3** rechts, **Skizze 4** rechts) liegt $\vec{L}$ zwischen $\hat{z}$ und $\vec{\omega}$; der *innere* Mantel des Gangpolkegels rollt auf dem äußeren Mantel des Rastpolkegels ab; in $K$ kreisen $\vec{\omega}$ und $\hat{z}$ gegenphasig um $\vec{L}$. <img src="../figures/Polkegel.png" width="900" style="zoom:100%;" /> -**Skizze 4** (Bewegungsablauf des Kreisels für den (links) prolaten und (rechts) oblaten symmetrischen Kreisel) +**Skizze 4** (Bewegungsablauf des Kreisels für den (links) *prolaten* und (rechts) *oblaten* symmetrischen Kreisel) --- @@ -75,7 +79,7 @@ $$ \omega_{N} = \omega\,\sqrt{\frac{\theta_{z}^{2}}{\theta_{\perp}^{2}\cos^{2}\beta+\theta_{z}^{2}\sin^{2}\beta}} \approx \omega\,\frac{\theta_{z}}{\theta_{\perp}} \end{equation} $$ -Wie aus Gleichung **(1)** ersichtlich gilt für den oblaten (prolaten) Kreisel $\omega_{N}\gt\omega$ ($\omega_{N}\lt\omega$). +Wie aus Gleichung **(1)** ersichtlich gilt für den *oblaten* (*prolaten*) Kreisel $\omega_{N}\gt\omega$ ($\omega_{N}\lt\omega$). # Navigation diff --git a/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.odg b/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.odg index e253b6e611a9e1c992b6bfe8e5229f22a8efc253..6886943f8517bbc89cd20bae0187b50f8aba98e0 100644 Binary files a/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.odg and b/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.odg differ diff --git a/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.png b/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.png index d6d7a07937cc97e84dc68981a7197036537b40cb..2c64dbd98fbed285d43abd87b7e7d94b18c5f542 100644 Binary files a/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.png and b/Kreisel/figures/KreiselkompassSkizze.png differ