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Aufgaben: Peitschenknall-Differentialgleichungen mit Lagrange-Formalismus

Das solltest Du drauf haben...
  • Lagrange-Funktion
  • Euler-Lagrange-Gleichung

Aufgabenstellung

Eine Schnur, die eine konstante Massendichte (ρ = m/L) und die Länge L hat, wird senkrecht nach oben geworfen.

  1. Bestimme die Lagrange-Funktion.
  2. Stelle die Bewegungsgleichungen auf und vernachlässige dabei den Knick der Peitsche.
  3. Stelle die Bewegungsgleichungen für das Wandern des Knicks der Peitsche.
Lösungstipps

Hinweis zu (a): Lagrange-Funktion lautet: \( \mathcal{L} \) = T - U. Betrachte außerdem die Bewegung der beiden Enden der Peitsche, in dem Du jeweils ihre Höhe h1 bzw. h2 über dem Erdboden als Koordinate wählst. Schreibe auch die aktuelle maximale Höhe h der nach oben geworfenen Peitsche um; mithilfe der konstanten Peitschenlänge L und den beiden Koordinaten der Peitschenenden.

Hinweis zu (b): Benutze die Euler-Lagrange-Gleichung: \( \frac{d}{dt}\frac{\mathcal{L}}{d\dot{q_i}} - \frac{\mathcal{L}}{dq_i} \) = 0

Hinweis zu (c): Ersetze die Differenz h1 - h2 = x. Entkopple die in (b) aufsgestellten Differentialgleichungen, in dem Du eine DFG von der anderen abziehst und dann auch noch addierst. Du bekommst dann wieder zwei neue Differentialgleichungen.

Prüfe Dein Ergebnis indem Du zeigst, dass die Geschwindigkeit \( \dot{x} \) gegen unendlich geht, wenn das Knickstück das Ende der Peitsche erreicht.

Lösung

Lösung zu (a)

Die Lagrange-Funktion lautet: \( \mathcal{L} \) = \( \frac{\rho}{4}[(L+h_{2}-h_{1})\dot{h_1}^{2} + (L+h_{1}-h_{2})\dot{h_2}^{2}] - \frac{g\,\rho}{2}[\frac{1}{2}(L+h_{1}+h_{2})^{2}-h_{1}^{2}-h_{2}^{2}]\)

Lösung zu (b)

Die 1.Bewegungsgleichung lautet: \( (L+h_{2}-h_{1})(\ddot{h_{1}}+g)-\frac{1}{2}(\dot{h_1}-\dot{h_2})^{2} \) = 0

Die 2.Bewegungsgleichung lautet: \( (L+h_{1}-h_{2})(\ddot{h_{2}}+g)-\frac{1}{2}(\dot{h_1}-\dot{h_2})^{2} \) = 0

Lösung zu (c)

Die 1.Bewegungsgleichung - nach Addition der Differentialgleichungen aus (b) - lautet: \( L(\ddot{h_{1}}+\ddot{h_{2}}) + 2L\,g - x\ddot{x} - \dot{x}^2 \) = 0

Die 2.Bewegungsgleichung - nach Subtraktion der Differentialgleichungen aus (b) - lautet: \( L\ddot{x} - x(\ddot{h_1}+\ddot{h_2}+2g) \) = 0

Löse beide nach \( (\ddot{h_1}+\ddot{h_2}) \) auf und setze gleich. Dann bekommst Du: \( \frac{x\cdot{x}}{l^{2}-x^{2}} \) = \( \frac{\ddot{x}}{\dot{x}} \)

Durch scharfes Hinsehen erkennst Du, dass: \( \frac{\ddot{x}}{\dot{x}} \) = \( \frac{d}{dt}\,ln(\dot{x}) \) und auch: \( \frac{-2x\dot{x}}{L^{2}-x^{2}} \) = \( \frac{d}{dt}\,ln(L^{2}-x^{2}) \)

Setze die beiden Ausdrücke in die neue DFG ein, und integriere über die Zeit, um die zweite Ableitung \(\ddot{x}\) zu eliminieren. Dann bekommst Du: \( \dot{x} \) = \( \frac{C}{\sqrt{L^{2}-x^{2}}} \) wobei C eine Konstante ist.

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