Das Physikalische Praktikum
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56 3 <strong>Das</strong> Trägheitsmoment<br />
der Massenpunkte im raumfesten System gegeben sind durch:<br />
vi = ω ×ri , (3.3)<br />
wobei ω der Vektor der Winkelgeschwindigkeit ist, undri der Ortsvektor der Massenpunkte im<br />
körperfesten System. Setzt man (3.3) in (3.1) ein, so ergibt sich ein lineares Gleichungssystem,<br />
welches nach Transformation auf die Hauptachsen die folgende Form annimmt:<br />
LA = ΘAωA ; LB = ΘBωB ; LC = ΘCωC . (3.4)<br />
Die Größen LA, LB und LC sind die Komponenten des Drehimpulses bezüglich der Hauptträgheitsachsen,<br />
und ωA, ωB und ωC die Komponenten des Vektors der Winkelgeschwindigkeit. Im<br />
Teil A »Trägheitsmoment aus Drehschwingungen« steht eine der Hauptträgheitsachsen (z.B. C)<br />
des Probekörpers senkrecht auf der Drehachse, so dass ωC ≡ 0 ist. Dann kann man das Skalarprodukt<br />
ausL und ω in der Form<br />
Θω 2 =L ·ω = ΘAω 2 A +ΘBω 2 B<br />
schreiben. Mit ωA = ω cos α und ωB = ω cos β ergibt sich aus (3.5) die Gleichung einer Ellipse<br />
in der Form<br />
ξ 2<br />
η2<br />
+<br />
a2 b<br />
(3.5)<br />
2 = 1 (3.6)<br />
mit ΘA = 1<br />
a2 , ΘB = 1<br />
b2 cos α , ξ = √<br />
cos<br />
, η = √<br />
β<br />
.<br />
Θ Θ<br />
3.5 Fragen<br />
1. Erläutern Sie die Analogien in den Observablen und den Bewegungsgleichungen für Translations-<br />
und Rotationsbewegungen.<br />
2. Wie ist das Trägheitsmoment definiert? Leiten Sie den STEINERschen Satz her.<br />
3. Was ist ein Trägheitsellipsoid?<br />
4. Wie berechnet man mit Hilfe der Winkelrichtgröße D das Trägheitsmoment?<br />
5. Wie kann man über das Drehmoment das Trägheitsmoment eines Körpers berechnen?<br />
6. Wie lautet die Bewegungsgleichung des physikalischen Pendels für kleine Auslenkungen?<br />
7. Leiten Sie die Formeln für das Trägheitsmoment von Kugel, Zylinder, Hohlzylinder, Scheibe,<br />
Stab, Hantelkörper sowie Würfel her. Gehen Sie von einer Rotation um die jeweilige<br />
Symmetrieachse aus und für den Würfel zusätzlich von einer Rotation um eine Raumdiagonale.<br />
3.6 Durchführung<br />
3.6.1 Teil A: Trägheitsmoment aus Drehschwingungen<br />
1. Als erstes müssen verschiedene Größen gemessen werden, die als Körpereigenschaften in<br />
die Auswertung eingehen: Radius der Kugel (z.B. kann der Umfang mit Hilfe eines Seiles
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