Gelöste Aufgaben/Kw29

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Aufgabenstellung

In einer Sporthalle wird ein Federball (Punktmasse m) mit einer Anfangsgeschwindigkeit v0 unter einem Winkel α gegenüber der Horizontalen abgeschlagen. Der Strömungswiderstand des Federballs wird mit

W=γ⋅v2

angegeben, dabei ist γ eine gemessene Größe.

Lageplan

Schreiben Sie die Bewegungsgleichung des Federballs an. Formulieren Sie die Bewegungsgleichung des Federballs in dimensionsloser Form und berechnen Sie die Lösung numerisch als Anfangswertproblem.

Gegeben: g, m, γ, v0

Lösung mit Maxima

tmp

Lageplan

Die Koordinaten der Bewegung des Federballs sind

  • u(t) in horizontale und
  • w(t) in vertikale Richtung.

Als Parameter der Bewegung wählen wir:

h0=2m… Anfangshöhev0=65km/h… Anfangsgeschwindigkeit.

Header

Text


1+1




tmp

Die Bewegungsgleichungen in horizontale und vertikale Richtung sind

mu¨+W⋅cos⁡(α)=0mw¨+W⋅sin⁡(α)=−mg.

Dabei ist

v=u˙2+w˙2cos⁡α=u˙vsin⁡α=w˙v.

Als nächstes machen wir die Bewegungsgleichungen dimensionslos mit

  • der dimensionslosen Zeit τ=tT und
  • den dimensionslosen Koordinaten U=uL bzw. W=wL,

dabei sind T = h0 / v0 die Bezugszeit und L = h0' die Bezugslänge.

Die neuen Form der nichtlinearen Bewegungsgleichung ergibt sich dann zu

d2dτ2⋅U=−Γ⋅(ddτ⋅U)⋅(ddτ⋅W)2+(ddτ⋅U)2,d2dτ2⋅W=−Γ⋅(ddτ⋅W)⋅(ddτ⋅W)2+(ddτ⋅U)2−G,

die wir numerisch lösen.

Equilibrium Conditions

Text


1+1




tmp

Für Γ=1/2 und α0 = 30° lösen wir das Problem numerisch, dazu wählen wir als Anfangsbedingungen

U(0)=0W(0)=1ddτU|τ=0=cos⁡α0ddτW|τ=0=sin⁡α0.

Solving

Text


1+1




tmp

Die Flugbahn des Federballs erhalten durch den Parameter-Plot mit W(τ) über U(τ).

Flugbahn

Post-Processing

Text


1+1





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