Kreisbewegung

Geometrie

Die Bewegung eines Körpers auf einer Kreisbahn beschreibt man am einfachsten durch die Polarkoordinaten r und φ. Für die Umrechnung des Ortsvektors von Polarkoordinaten in kartesische Korrdinaten gilt

[math]\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = r \begin{pmatrix} \cos \varphi \\ \sin \varphi \end{pmatrix}[/math]

Bei der Kreisbewegung ist r ein Parameter und φ eine Funktion der Zeit. Die Ableitung des Ortsvektors nach der Zeit liefert den Geschwindigkeitsvektor des kreisenden Referenzpunktes

[math]\begin{pmatrix} \dot x \\ \dot y \end{pmatrix} = r \begin{pmatrix} -\sin \varphi \\ \cos \varphi \end{pmatrix} \dot \varphi[/math] oder [math]\begin{pmatrix} v_x \\ v_y \end{pmatrix} = r \omega \begin{pmatrix} -\sin \varphi \\ \cos \varphi \end{pmatrix} = v \begin{pmatrix} -\sin \varphi \\ \cos \varphi \end{pmatrix}[/math]

Der Geschwindigkeitsvektor steht normal zum Radius. Sein Betrag ist gleich dem Produkt aus dem Betrag des Radius und der Winkelgeschwindigkeit.

Impulsbilanz

Über das Kapazitivgesetz kann aus der Geschwindigkeit des Massenmittelpunktes der Impulsinhalt des Körpers berechnet werden

[math]\begin{pmatrix} p_x \\ p_y \end{pmatrix} = p \begin{pmatrix} -\sin \varphi \\ \cos \varphi \end{pmatrix}[/math]

Für den Betrag des Impulsvektors gilt: p = m v = m ω r

Die Impulsänderungsrate erhält man durch nochmaliges Ableiten nach der Zeit

[math]\begin{pmatrix} \dot p_x \\ \dot p_y \end{pmatrix} = \dot p \begin{pmatrix} -\sin \varphi \\ \cos \varphi \end{pmatrix} \oplus p \omega \begin{pmatrix} -\cos \varphi \\ -\sin \varphi \end{pmatrix}[/math]

Der erste Term beschreibt die Änderunsrate des Impulsbetrages, der zweite Term die durch die Kreisbahn erzwungene Schwenkbewegung des Impulsvektors. Die Impulsbilanz setzt nun die Impulsänderungsrate gleich der Summe über alle Impulsstromstärke plus die Impulsquellenstärke. In der Punktmechanik sagt man dieser Summe resultierende Kraft und schreibt die Gleichung oft koordinatenunabhängig hin

[math]\vec F_{res} = \dot p \frac {\vec p} {p} \oplus \dot \omega \times \vec p[/math]

Mit p ist der Betrag des Impulsvektors gemeint. Dass die Winkelgeschwindigkeit als Vektor geschrieben werden darf, ist mathematisch nicht einfach zu begründen. Dieser Vektor steht nach der Rechten-Hand-Regel normal zur Kreisbahnebene. Die Rechte-Hand-Regel besagt hier, dass der Daumen der rechten Hand die Richtung der Winkelgeschwindgigkeit anzeigt, wenn die Finger im Drehsinn auf den Kreis gelegt werden.

Falls die Winkelgeschwindigkeit konstant ist, also bei einer gleichförmigen Kreisbewegung, entfällt der erste Term.