Lösung zu Rakete im Gravitationsfeld: Unterschied zwischen den Versionen
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*den Impulsinhalt durch das [[kapazitives Gesetz|kapazitive Gesetz]] der [[Translationsmechanik]] ([[Impuls]]inhalt gleich [[Masse]] mal [[Geschwindigkeit]]) ausdrückt: |
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Im vorliegenden Beispiel mit der [[Rakete]] gibt es keine Oberflächenkräfte und nur einen einzigen Massenstrom. Die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases ist gleich Geschwindigkeit der Rakete (''v'') minus Relativgeschwindigkeit des ausströmenden Gases (''c''). Die Impulsbilanz nimmt deshalb eine einfachere Form an |
Im vorliegenden Beispiel mit der [[Rakete]] gibt es keine Oberflächenkräfte und nur einen einzigen Massenstrom. Die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases ist gleich Geschwindigkeit der Rakete (''v'') minus Relativgeschwindigkeit des ausströmenden Gases (''c''). Die Impulsbilanz nimmt deshalb eine einfachere Form an |
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Der Impuls der Rakete nimmt ab, weil das Gravitationsfeldes Impuls absaugt und das ausströmende Gas Impuls mitnimmt. |
Der Impuls der Rakete nimmt ab, weil das Gravitationsfeldes Impuls absaugt und das ausströmende Gas Impuls mitnimmt. |
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Setzt man die Massenbilanz |
Setzt man die Massenbilanz |
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| − | Die Beschleunigung der Rakete ist trotz negativer Impulsänderungsrate positiv, weil die Rakete Masse abgibt, die mit wenig Impuls beladen ist. |
+ | Die Beschleunigung der Rakete ist trotz negativer Impulsänderungsrate positiv, weil die Rakete Masse abgibt, die mit wenig Impuls beladen ist. |
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| + | ==Lösung zu Frage 4== |
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| + | Mathematisch hängt die Beschleunigung wie folgt mit der Impulsänderungsrate zusammen |
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| − | Die Beschleunigung wird |
+ | Die Beschleunigung wird kleiner als Null, sobald die (negative) Impulsänderunsrate kleiner als das Produkt aus Massenstromstärke und Geschwindigkeit der Rakete wird. |
'''[[Rakete im Gravitationsfeld|Aufgabe]]''' |
'''[[Rakete im Gravitationsfeld|Aufgabe]]''' |
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Version vom 2. April 2007, 20:55 Uhr
Die eindimensionale Impulsbilanz für offene Systeme, welche die Summe über alle leitungsartigen und konvektiven Impulsströme zusammen mit der gravitativen Impulsquelle gleich der Änderungsrate des Impulsinhaltes setzt, kann etwas konkreter formuliert werden, indem man
- die Stärken der leitungsartigen Impulsströme als Kräfte bezeichnet,
- die konvektiven Impulsströme durch Massenstromstärke mal zugehörige Ausströmgeschwindigkeit ersetzt,
- die gravitative Impulsquelle als Masse mal Gravitationsfeldstärke schreibt,
- den Impulsinhalt durch das kapazitive Gesetz der Translationsmechanik (Impulsinhalt gleich Masse mal Geschwindigkeit) ausdrückt:
Lösung zu Frage 1
Die Impulsbilanz fasst die leitungsartigen Impulsströme (Kräfte), die konvektiven Impulsströme sowie die Impulsquelle (Gewichtskraft) zur Impulsänderungsrate zusammen
- [math]\sum_i F_i + \sum_i v_i I_{mi} + m g = \dot p = \dot m v + m \dot v[/math]
Die allgemeine Massenbilanz besagt, dass die Summe über alle Massenstromstärken gleich der Änderungsrate der Masse ist
- [math]\sum_i I_{mi} = \dot m[/math]
Lösung zu Frage 2
Im vorliegenden Beispiel mit der Rakete gibt es keine Oberflächenkräfte und nur einen einzigen Massenstrom. Die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases ist gleich Geschwindigkeit der Rakete (v) minus Relativgeschwindigkeit des ausströmenden Gases (c). Die Impulsbilanz nimmt deshalb eine einfachere Form an
- [math]m g + (v - c) I_m = \dot p = \dot m v + m \dot v[/math]
Setzt man für die Gravitationsfeldstärke - 9 N/kg ein, erhält man eine Impulsänderungsrate von
- 25000 kg * (-9 N/kg) + 1300 m/s * (-200 kg/s) = -485 kN
Der Impuls der Rakete nimmt ab, weil das Gravitationsfeldes Impuls absaugt und das ausströmende Gas Impuls mitnimmt.
Lösung zu Frage 3
Setzt man die Massenbilanz
- [math]I_m = \dot m[/math]
in die Impulsbilanz ein, erhält man eine sehr kompakte Formel, die an das Grundgesetz der Mechanik erinnert
- [math]m g - c I_m = m \dot v[/math]
Daraus lässt sich die Beschleunigung ermitteln
- [math]\dot v = g - c \frac {I_m}{m}[/math] = 20.6 m/s2
Die Beschleunigung der Rakete ist trotz negativer Impulsänderungsrate positiv, weil die Rakete Masse abgibt, die mit wenig Impuls beladen ist.
Lösung zu Frage 4
Mathematisch hängt die Beschleunigung wie folgt mit der Impulsänderungsrate zusammen
- [math]\dot v = \frac {\dot p - \dot m v}{m} = \frac {\dot p}{m} - \frac {I_m}{m} v[/math]
Die Beschleunigung wird kleiner als Null, sobald die (negative) Impulsänderunsrate kleiner als das Produkt aus Massenstromstärke und Geschwindigkeit der Rakete wird.