Lösung zu Zwei Luftkissenfahrzeuge

1. Der zufliessende Impuls verteilt sich anfänglich so auf die beiden Fahrzeuge, dass diese ihre Geschwindigkeit mit der gleichen Rate erhöhen; beide Fahrzeuge haben anfänglich die gleiche Beschleunigung. In dieser Phase ist der durch die Teleskopstange fliessende Impulsstrom 0.75 (Masse des hinteren Fahrzeuges durch Gesamtmasse) mal schwächer, als der durch das Seil zuströmende. Bei einer Stromstärke von 6 N beginnt die Teleskopstange als Impulsstrombegrenzer zu wirken. Die Seilkraft beträgt dann 6N/0.75 = 8 N. Diesen Wert erreicht die Seilkraft nach 0.1 s. Weil in der Zwischenzeit 0.4 Ns Impuls (Fläche unter der Impulsstromstärke-Zeit-Kurve) zugeflossen ist, bewegen sich die Fahrzeuge mit 0.4Ns/1kg = 0.4 m/s.
2. In den restlichen 0.15 s fliessen noch 6N*0.15s = 0.9 Ns in das schwerere Fahrzeug. Dieses kann damit seine Geschwindigkeit auf 0.4 m/s + 0.9Ns/0.75kg = 1.6 m/s erhöhen. Weil während dieser Zeit über das Seil 0.5*(8N + 20N)*0.15s = 2.1 Ns zufliessen, verbleiben im leichteren Fahrzeug 1.2 Ns, womit dieses seine Geschwindigkeit auf 0.4 m/s + 1.2Ns/0.25kg = 5.2 m/s erhöhen kann.
3. Nach einiger Zeit hat sich der total zugeführte Impuls von 0.5*20N*0.25s = 2.5 Ns auf beide Fahrzeuge verteilt. Diese bewegen sich dann mit 2.5Ns/1kg = 2.5 m/s weiter.
4. Nach 0.2 s bewegt sich das schwerere Fahrzeug mit 0.4m/s + 6N*0.1s/0.75kg = 1.2 m/s. Das leichtere fährt dann mit 0.4m/s + [0.5*(8N+16N)*0.1s - 6N*0.1s]/0.25kg = 2.8 m/s vorne weg. Weil der Impulsstrom zum Zeitpunkt 0.2 s eine Geschwindigkeitsdifferenz von 2.8m/s - 1.2m/s = 1.6 m/s durchfällt, setzt er eine Leistung von 1.6m/s*6N = 9.6 W frei.
5. Die Energiestromstärke ist gleich dem Produkt aus Impulsstromstärke und Geschwindigkeit. Weil die Impulsstromstärke linear und die Geschwindigkeit quadratisch mit der Zeit wächst, steigt die Stärke des zugeordneten Energiestromes kubisch mit der Zeit an. Die total zugeführte Energie erhält man dann durch eine Integration über die Zeit. Diese Integration lässt sich mit Hilfe der Analysis, eines Tabellenkalkulatinsprogrammes oder graphisch ausführen.
6. Die insgedamt im Teleskoprohr dissipierte Energie ist gleich zugeführte Energie minus kinetische Energie der beiden Fahrzeuge, als gleich J - 0.5*1kg*(2.5m/s)^2 =

Die angefressene Sytemdynamikerin oder der angefressene Systemdynamiker baut ein Modell für diese Aufgabe und kann dann alle Fragen in einem Aufwasch beantworten. Das Verhalten der Teleskopstange kann wie eine Gleitreibung modelliert werden.

Aufgabe