Physik 1 für Chemiker und Biologen 10. Vorlesung – 09.01 · Physik 1 für Chemiker und Biologen...
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Physik 1 für Chemiker und Biologen 10. Vorlesung – 09.01.2016
Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]
Heute: - Wiederholung: Bernoulli - Gleichung - Viskose Fluide - Kapillarkräfte - Schwingungen
- harmonisch - gedämpft - getrieben
- Resonanz
http://xkcd.com/1781/
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Vorlesungsevaluation und Klausuranmeldung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 2
• Insgesamt wurde die Vorlesung sehr positiv evaluiert! • Gut: „auch für Physikmuffel“; PINGO; Experimente • Punkte zur Diskussion / Verbesserung:
o Kommen nicht ganz durch die Folien o Mehr Mathe? o Mehr Stoff, der nicht in der Schule war? o Mehr Rechenbeispiele / Übungen in der Vorlesung? o Keine Pause?
• Anmeldung zur Klausur für Chemiker ist online: http://www.cup.lmu.de/anmeld/physik/
• Ich warte auf Antwort, wie
die Klausuranmeldung für Biologen läuft.
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Wiederholung: Auftrieb & Schwimmen
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 3
FAuftrieb = g · ⇢Fluid · V
Auftriebskraft = Gewichtskraft des verdrängten Fluids (Archimedisches Prinzip)
⇒ Auftriebskraft > Gewichtskraft ⇒ Körper schwimmt
⇒ Auftriebskraft = Gewichtskraft ⇒ Körper schwebt
⇒ Auftriebskraft < Gewichtskraft ⇒ Körper sinkt
⇢Korper
< ⇢Fluid
⇢Korper
= ⇢Fluid
⇢Korper
> ⇢Fluid
Schwimmbedingung:
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Wiederholung: Bernoulli-Gleichung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert
Für die Strömung eines inkompressiblen und reibungsfreien Fluides (“ideales Fluid”) gilt:
4
Daniel Bernoulli (1700-1782)
https://de.wikipedia.org/wiki/Daniel_Bernoulli
p+ g⇢h+
1
2
⇢v2 = const.
http://www.spektrum.de/lexika/images/physik/fff10498.jpg
Pitot-Rohr misst den Gesamtdruck
Seitlich offene Sonde misst den statischen Druck
http://expweb.phys.ethz.ch/03/02/03/bes.pdf
Prandtlrohr misst den Staudruck
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Pitot-Rohr und die Geschwindigkeit von Flugzeugen
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 5
pPitot
= pstatisch
+1
2⇢ · v2
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Wiederholung: Viskose Reibung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 6
Reale Fluide haben Viskosität, d.h. es kommt zu Energieverlusten und Reibung, wenn das Fluid strömt
• Fluid zwischen zwei Platten: F, v
d
AFReibung = �⌘ ·A · v
d
Wichtige Fälle (gelten für hohe Viskosität, kleine Geschwindigkeiten):
• Kugel in einem viskosen Fluid (Stokes):
FR = �6⇡ · ⌘ ·R · v
http://tap.iop.org/mechanics/ drag_forces/page_39518.html
• Viskose Strömung durch ein Rohr (Hagen-Poiseuille):
dV
dt=
⇡(p1 � p2)
8 · ⌘ · l R4
http://ro.math.wikia.com/wiki/Ecua%C8%9Bia_Hagen-Poiseuille
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09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 7
Anwendung der Stokes-Reibung: Sedimentationsgeschwindigkeit
Stokesreibung:
Schwerkraft: Auftriebskraft:
https://de.wikipedia.org/wiki/Stokessche_Gleichung
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Oberflächenspannung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 8
Auf kleinen Längenskalen herrschen (kurzreichweitige) Anziehungskräfte zwischen den Fluidmolekülen
https://de.wikipedia.org/wiki/Oberflächenspannung https://en.wikipedia.org/wiki/Lotus_effect https://de.wikipedia.org/wiki/Kohäsion_(Chemie)
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Kapillarkraft
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 9
Experiment: Kapillarkraft
https://en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action
http://www.diffen.com/difference/Adhesion_vs_Cohesion
Concave meniscus
Convex meniscus
H2O Hg
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Anwendungen der Kapillarkraft
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 10
Archer Martin (1910-2002)
Richard Synge (1914-1994)
Chemienobelpreis 1952 für Chromatographie
https://de.wikipedia.org/wiki/ Archer_J._P._Martin
https://de.wikipedia.org/wiki/ Richard_L._M._Synge
Experiment: Papierchromatographie
https://de.wikipedia.org/wiki/Papierchromatographie
Füller Pflanzen https://de.wikipedia.org/wiki/Füllfederhalter https://de.wikipedia.org/wiki/Baum
Pflanzen
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Schwingungen
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 11
Pendeluhr
https://de.wikipedia.org/wiki/Pendeluhr
Lautsprecher
https://de.wikipedia.org/wiki/Lautsprecherbox
Stoßdämpfer
https://en.wikipedia.org/wiki/Shock_absorber
Quartzuhr
https://de.wikipedia.org/wiki/Quarzuhr https://de.wikipedia.org/wiki/Radio
Funk und Fernsehen
http://de.freepik.com/fotos-vektoren-kostenlos/radio-icon
Atom
http://vqm.uni-graz.at/qms/index-5.html
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Harmonische Schwingungen
Experiment: Schwingung an Luftschiene
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 12
Erinnerung: Für eine harmonische Feder gilt, dass die Kraft F proportional zur Auslenkung x ist.
Grundlegende Eigenschaften von Schwingungen:
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Harmonische Schwingungen: Mathematische Betrachtung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 13
Aus Newtonscher Mechanik folgt:
1. Gesetze:
2. Differentialgleichung (DG):
Allgemein: In einer Differentialgleichung (DG) werden eine Funktion und ihre Ableitung(en) in Beziehung gesetzt.
3. Lösung der DG:
Experiment: Generatorpendel mit x,y-Schreiber
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Harmonische Schwingungen: Interpretation der Schwingungsfunktion
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 14
x(t) = A sin(!t+ �)
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Verständnisfrage 1
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 15
An welcher Stelle ist die Beschleunigung der Masse maximal? Abstimmen unter pingo.upb.de! A) An Position „0“. B) An Position „M“. C) An Position „E“.
Eine Masse oszilliert an einer Feder auf einer reibungsfreien Oberfläche hin und her. Position “0” ist die Ruhelage (ungedehnte Lage) der Feder.
0 M E
https://de.wikipedia.org/wiki/Federpendel
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Verständnisfrage 2
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 16
Eine Masse oszilliert an einer Feder auf einer reibungsfreien Oberfläche hin und her. Position “0” ist die Ruhelage (ungedehnte Lage) der Feder.
An welcher Stelle ist die Gesamtenergie des Systems maximal? Abstimmen unter pingo.upb.de! A) An Position „0“. B) An Position „M“. C) An Position „E“. D) Die Gesamtenergie ist konstant.
0 M E
https://de.wikipedia.org/wiki/Federpendel
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Energieerhaltung im harmonischen Oszillator
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 17
�Emech
= �Ekin
+�Epot
= 0x(t) = A sin(!t+ �)
Harmonische Schwingung: Erinnerung: Für ein abgeschlossenes System in dem nur konservative Kräfte wirken gilt der Energieerhaltungssatz der Mechanik:
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Pendel
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 18
Experiment: Fadenpendel
https://de.wikipedia.org/wiki/Pendeluhr
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Nichts schwingt für immer - Dämpfung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 19
2. Modifizierte Differentialgleichung:
3. Lösung der neuen DG:
1. Gesetze (Stokes Reibung):
Experiment: Federpendel ungedämpft und gedämpft
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Dämpfung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 20
Lösung der Differentialgleichung für eine gedämpfte Schwingung:
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09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 21
Grenzfälle der gedämpften Schwingung
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Getriebene Schwingung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 22
2. Modifizierte Differentialgleichung:
3. Lösung der neuen DG:
1. Gesetze (Feder, Reibung, Antrieb):
Experiment: Federpendel mit zwei Massen
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Getriebene Schwingung mit Reibung
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 23
2. Modifizierte Differentialgleichung:
3. Lösung der neuen DG:
1. Gesetze (Feder, Reibung, Antrieb):
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09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert
Verhalten der getriebenen Schwingung
24
Grenzfälle:
A =F0p
m2(!2 � !2e)
2 + b2!2e
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Resonanz
09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 25
Änderung der Treiber-Frequenz ωe erlaubt Bestimmung Eigenfrequenzen ω0
Frequenz ωe
Am
plitu
de Experiment: Anregung von Blattfedern
https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Loudspeakers?uselang=de
IR-Resonanz-Spektroskopie
Experiment: IR Tutorial -Molekülschwingungen
Tran
smitt
ance
(%)
Frequency http://chemwiki.ucdavis.edu/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/
Map:_McMurray_8ed_%22Organic_Chemistry%22
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09.01.2017 Prof. Dr. Jan Lipfert 26
Film: Takomabridge https://www.youtube.com/watch?v=XggxeuFDaDU
Resonanz mit dramatischen Konsequenzen („Resonanzkatastrophe“)
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Image-Tacoma_Narrows_Bridge1.gif
Tacoma Narrows Bridge (July 1 – November 7, 1940)