Dynamik der Kreisbewegung
Im Folgenden wollen wir untersuchen, welche Kraft die Masse auf der Kreisbahn hält. Die oben errechnete Radialbeschleunigung wird durch eine Zwangskraft
hervorgerufen. Diese Zwangskraft kann z.B. die Fadenspannung oder die Schienenführung bei einem Zug sein. Nach Newton kann man diese Kraft schreiben als
.
Definition V.4: Die zum Kreismittelpunkt hin gerichtete Kraft, die durch die Radialbeschleunigung hervorgerufen wird, nennt man Zentripetalkraft |
Merke: Dieses ist die einzige wirklich existierende Kraft im Sinne des 2. Newtonschen Axioms, d.h. in einem Inertialsystem. |
Definition V.5: Die der Zentripetalkraft |
Versuch V.3: Das "Säge"-Blatt:
Bei diesem Versuch wird ein rundes Blatt Papier über eine in der Mitte befestigte Achse einer Bohrmaschine schnell in eine Kreisbewegung versetzt. Somit bewegt sich jeder einzelne Punkt des Papiers mit einer Winkelgeschwindigkeit. Quadratisch mit dieser Winkelgeschwindigkeit steigt die Beschleunigung an, welche die Punkte des Papiers erfahren. Diese Beschleunigung hat eine stabilisierende Kraft zur Folge. Diese Kraft ist bei entsprechender Wahl der Antriebsgeschwindigkeit so groß, daß das Blatt ausreichend stabilisiert wird, um Holz zu zersägen.Versuch V.4: Rollende Kette
Dasselbe Prinzip kann man nutzen, um eine Metallkette in eine Kreisform zu bringen und zu stabilisieren. Hierfür wird eine Scheibe über eine Bohrmaschine angetrieben. Auf die Scheibe ist eine Metallkette gespannt. Nachdem die Kette schnell genug angetrieben wurde, kann sie von der Scheibe gelöst werden. Sie rollt nun durch die Radialkraft stabilisiert tangentiell los. Die Energie der Kette reicht, um bei Anstoßen an ein Hindernis einige Meter weit und hoch zu fliegen.Versuch V.5: Gleichgewichtspunkt zweier Wagen an einer Feder
Bei dieser Versuchsanordnung stehen sich zwei Wagen gegenüber auf einer Schiene, auf deren Mitte senkrecht ein Stab befestigt ist, an dessen Ende eine Feder über den Stab herab hängt. Über Umlenkrollen sind die Wagen an die Feder angehängt, sie erfahren also die Federrückstellkraft (Hook'sche Kraft müssen betragsmäßig gleich groß sein, damit die resultierende Kraft null ist und der Körper sich in Ruhe befindet. Mit den bekannten Formeln für die Hook'sche Kraft
gleich der Auslenkung der Feder über die Umlenkrolle folgt
Versuch V.6: Fliehkraftregler
Der Fliehkraftregler besteht aus zwei schweren Kugeln, die über eine Achse in Rotation versetzt werden können. Die Kugeln hängen an Stangen der Länge l, die an der angetriebenen Achse fest montiert sind. Zwei weitere Stangen der Länge s sind so mit der Achse verbunden, daß sie sich auf und ab bewegen lassen, wobei sie an den Kugeln festsitzen. In Rotation versetzt heben sich die Kugeln und damit das untere Gestänge bis zu einer bestimmten Höhe, bei der ein mit den Kugeln verbundener Leiter sich so weit nach oben bewegt, daß er den Kontakt zu seinem Stromkreis verliert und ihn somit durchtrennt. In diesem Stromkreis hängt auch der Antrieb der Achse, so daß die Kugeln nicht mehr rotieren und sinken. Der Kontakt ist wieder hergestellt und die Kugeln heben sich wieder. Die ausgestellten Stangen bilden mit der Achse den Winkel a , die Kugeln seien den Abstand r von der Achse entfernt..
Im Gleichgewicht übt die Stange auf die Kugel eine Zwangskraft