Aufgabensammlung Physik: Teilchen auf schiefer Ebene mit Lagrangen Multiplikatoren

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Teilchen auf schiefer Ebene mit Lagrangen Multiplikatoren

Berechne mithilfe der Methode der Lagrangen Multiplikatoren, der Lagrange-Gleichungen 1. Art, die Bewegungsgleichung des Teilchens auf der schiefen Ebene und die Zwangskräfte des Systems.

Lösungshinweise

Für die Lösung der Aufgabe müssen 3N+s Gleichungen aufgestellt werden: Zum einen die Zwangsbedingungen fs des Systems, und die daraus folgenden Lagrange Gleichungen 1. Art.

Aufstellung der Gleichungen

Die Zwangsbedingungen des Systems:

  • (1.) f1=0=xsin(α)ycos(α)
  • (2.) f2=0=z

Die sich ergebenden Lagrangegleichungen 1. Art d2dt2mri=Fi+FZwi=Fi+λsi=1Nfs :

  • (3.) mr¨x=0+λ1xf1=0+λ1sin(α)
  • (4.) mr¨y=FG+λ1yf1=mgeyλ1cos(α)
  • (5.) mr¨z=0+λ2zf2=0+λ2ez=λ2

Bestimmen der Unbekannten

Mithilfe dieser Gleichungen bestimmen wir nun die Unbekannten des Systems x(t),y(t),z(t),λ1,λ2 :

Berechnen von λ2 mit Gleichung 2. und 5.:

z(t)=0z¨(t)=0mz¨=0=λ2

Berechnen von λ1 mit Gleichung 3. und 4.:

Wir multiplizieren: 3.sin(α)4.cos(α)

m(x¨sin(α)y¨cos(α))=λ1sin2(α)+λ1cos2(α)mgcos(α)λ1=m(gcos(α)+x¨sin(α)y¨cos(α))

Mit Gleichung 1. kann gezeigt werden:

d2dt2xsin(α)ycos(α)=x¨sin(α)y¨cos(α)=0

Also: λ1=mgcos(α)

So lässt sich die Zwangskraft berechnen: FZwi=λsi=1Nfs=mgcos(α)sin(α)cos(α)0 |FZW|=mgcos(α)

Berechnen der Bewegungsgleichungen mit Gleichungen 3. und 4.

3.cos(α)+4.sin(α)m(x¨cos(α)+y¨sin(α))=mgsin(α)

Wir führen eine neue Variable b=xcos(α)+ysin(α)b¨=x¨cos(α)+y¨sin(α) ein.

b¨=gsin(α)

Lösung der DGL 2. Ordnung ergibt: b(t)=b0(t=0)+b¨0(t=0)t12gsin(α)t2 Wie jede DGL, ist diese erst durch die 2 Randbedingungen b0(t=0) und b¨0(t=0) bestimmt. Setzen wir für b(t) wieder die ursprünglichen Koordinaten, können wir Gleichung 1. nutzen, um die Gleichung noch nach x oder y aufzulösen.