Aufgabensammlung Physik: Lagrange Bewegungsgleichungen eines sphärischen Pendels

Aus testwiki
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Bewegungsgleichung einer freien Teilchens mit der Lagrange Gleichung

Ein Pendel bewege sich im festen Abstand l in der der x,y,z-Ebene.

Skizze eines sphärischen Pendels

Berechne die Bewegungsgleichung eines sphärischen Pendels, mithilfe der Lagrangen-Bewegungsgleichung.


Aufstellen der Lagrangen-Bewegungsgleichungen

Das System hat eine Zwangsbedingung:

|r|l=0

Wir finden daher 31=2 generalisierte Koordinaten.

Da sich das Teilchen auf einer Kugeloberfläche mit dem festen Abstand l vom Nullpunkt.

Daher wählt man als generalisierte Koordinaten die beiden Winkel φ und ϑ, und schreibt r in Kugelkoordinaten:

r=(|r|sin(ϑ)cos(φ)|r|sin(ϑ)sin(φ)|r|cos(ϑ))=vgl. Zwangsbedingungle^r(ϑ,φ)

Nun stellt man die kinetische Energie als Funktion von ϑ, ϑ˙ , φ und φ˙ dar.

T(ϑ˙,ϑ,φ˙,φ)=12mv2=12m(lddte^r)2=


Benutzer:Siliurp/ Vorlagen:textbox

=12ml2(e^φφ˙+e^ϑϑ˙)2
=12ml2(φ˙2(sin2(ϑ)(sin2(φ)+cos2(φ))=1)+ϑ˙2(sin2(ϑ)(sin2(φ)+cos2(φ))=1+cos2(ϑ)=1)+2e^φφ˙e^ϑϑ˙=0, da e^φe^ϑ)
=12ml2(φ˙2sin2(ϑ)+ϑ˙2)=T(φ˙,ϑ˙,ϑ)

Die potentielle Energie wird wie folgt in generalisierten Koordinaten ausgedrückt:

V(r)=mgrz=mglcos(ϑ)=V(ϑ)

Die Lagrange Funktion lautet also:

L=12ml2(φ˙2sin2(ϑ)+ϑ˙2)+mglcos(ϑ)

Berechnen der generalisierten Bewegungsgleichnungen

Berechnet man nun also die Lagrangefunktion, so ergeben sich daraus die generalisierten Bewegungsgleichungen:

0=ddtLφ˙Lφ=ddtml2sin2(ϑ)φ˙

ml2sin2(ϑ)φ˙=const. (1) - z-Komponente des Drehimpulses =m(r×v)z, die Winkelgeschwindigkeit ϑ bleibt konstant. Wird ϑ kleiner, so muss φ größer werden, um den Term konstant zu halten. Da der Ausdruck konstant ist, kann das Pendel, in diesem reibungsfreien Fall niemals den z-Nullpunkt durchlaufen - der Drehimpuls bleibt also erhalten.

0=ddtLϑ˙Lϑ=ml2ϑ¨(ml2φ˙2sin(ϑ)cos(ϑ)mglsin(ϑ))

Wir formen die z-Komponente des Drehimpulses nach φ˙ so um, das man sie in die ϑ-Bewegungsgleichung einsetzen kann, sodass diese keine φ˙-Abhängigkeit mehr hat.

cml2sin2(ϑ)=φ˙
ml2ϑ¨=ml2sin(ϑ)cos(ϑ)c2m2l4sin4(ϑ)mglsin(ϑ)
ϑ¨=sin(ϑ)cos(ϑ)c2m2l4sin4(ϑ)glsin(ϑ)

Diese Differentialgleichung 2ter Ordnung könnte nun z. B. numerisch per Computer gelöst werden.

Bestimmt man so ϑ(t), so kann damit durch einsetzen in Gleichung (1) auch φ˙(t) bestimmt werden, sodass so der genaue Ortsvektor des Teilchens zu jedem Zeitpunkt t bestimmt werden kann.