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Aufgabenstellung:

Abbildung

Ein Flüssigkeitspendel, auch bekannt als schwingende Flüssigkeitssäule, ist im Allgemeinen ein U-Rohr, in dem eine anfangs aus der Gleichgewichtslage ausgelenkte Flüssigkeitssäule schwingt. In der Abbildung sieht man den Aufbau des Versuchs.

  1. Bestimmen Sie die Bewegungsgleichung.
    Beachten Sie, dass die Flüssigkeitssäule im U-Rohr einen Zylinder darstellt. Die Größen und lassen sich somit durch die Dichte der Flüssigkeit, die Querschnittsfläche A des U-Rohrs, und der Länge L ausdrücken.
  2. Die Bewegungsgleichung ist eine Differentialgleichung Ordnung, die noch zwei Anfangsbedingungen zu ihrer kompletten Lösung erfordert. Gib diese beiden Anfangsbedingungen an.
  3. Weisen Sie rechnerisch nach, dass die Zeit-Ort-Funktion mit geeignet gewähltem die Bewegungsgleichung erfüllt.
    Gib den geeigneten Term für an und bestimme den Wert so, dass diese ZeitOrt-Funktion auch die beiden Anfangsbedingungen erfüllt.
  4. Die Flüssigkeitssäule eines Flüssigkeitspendels habe die Länge . Berechne die Schwinungsdauer dieses Flüssigkeitspendels.

Lösungsweg:

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(a) Bewegungsgleichung

Mit    und    folgt

(b) Anfangsbedingungen

Die Anfangsbedingungen lauten

(c) Nachweisen, dass die Zeit-Ort-Funktion die Bewegungsgleichung erfüllt

Bestimmen wir die 2. Ableitung der Zeit-Ort-Funktion und setzen und in die Differentialgleichung ein.

Die linke Seite der Gleichung ist nur dann immer wenn und damit ergibt sich

Aus ergibt sich und mit  folgt

Damit wird die Bewegung des Flüssigkeitspendels beschrieben durch die Zeit-Ort-Funktion

(d) Schwinungsdauer

Für die Schwinungsdauer ergibt sich wegen

Lösung: