Detailed View of "Billard mit drei Kugeln"
Bei dem unten abgebildeten Billard-Stoss steht die Richtung des einlaufen Spielballs senkrecht auf der Verbindungslinie der beiden angespielten Objektbälle, die sich berühren. Die einlaufe Kugel treffe diese beiden Kugeln gleichzeitig. Berücksichtige die Symmetrie des Problems, sowie die Prinzipien der Energie- und Impulserhaltung und bestimme die Endgeschwindigkeiten der drei Kugeln.
center
tikzpicture[scale.]
BillardSpielball,.;
Billardkugel,..green!!black;
Billardkugel,-..blue;
draw[dashed] .,--,;
draw[colorgreen!!black,->,>latex] .,--.,;
tikzpicture
center
Wir bezeichnen die chwindigkeit des weissen Balls vor nach dem Stoss mit vec v vec v' und den Impuls mit vec p vec p'. Die chwindigkeiten der Objektbälle nach dem Stoss bezeichnen wir mit vec w'_ und vec w'_, die Impulse entsprech mit vec q'_ und vec q'_. Die Auslaufwinkel der Objektbälle seien alpha_ und alpha_. Aus der Energie- und der Impulserhaltung folgen die Gleichungen
minipage[c].textwidth
al
ptot &mustbe ptot'
vec p vec p' + vec q_' + vec q_'
mmqtyv_xv_y mmqtyv_x'v_y' + mmqtyw_,x'w_,y' +mmqtyw_,x'w_,y'
mqtyv mqtyv' + mqtyw_'cosalpha_w_'sinalpha_ + mqtyw_'cosalpha_w_'sinalpha_
minipage
minipage[c].textwidth
al
Etot &mustbe Etot
Ekin Ekin
fracmv^ fracmv'^ + frac mw_'^ + frac mw_'^
v^ v'^ + w_'^ + w_'^.
minipage
Aus Symmetriegründen müssen die chwindigkeitsbeträge der Objektbälle gleich gross sein, wir nennen sie also neu w' w_' w_'. Ausserdem müssen die Richtungen der Objektbälle mit der x-Achse den gleich grossen Winkel einschliessen, deshalb können wir auch alpha alpha_ -alpha_ schreiben. Bei der Berührung bilden die Mittelpunkte der drei Bälle ein gleichseitiges Dreieck.
center
tikzpicture[scale.]
BillardSpielball.,.;
Billardkugel,..green!!black;
Billardkugel,-..blue;
draw[dashed] ,--,;
draw[dashed] -.,--,;
draw[thick, colorred] .,--,.--,-.--.,;
tikzpicture
center
Deshalb ist alpha degree. Das liefert dann das folge Gleichungssystem mit den zwei Unbekannten v' und w':
v v' + w'cosalpha labelimp
v^ v'^ + w'^. labelen
Aus Erfahrung wissen wir, dass Umstellen und Quadrieren von eqrefimp helfen kann:
al
qtyv-w'cosalpha^ v'^.
Das subtrahieren wir jetzt von eqrefen und lösen nach w' auf
al
vw'cosalpha - w'^cos^alpha w'^
vcosalpha - w'cos^alpha w'
vcosalpha w'+cos^alpha
w' fracvcosalpha+cos^alpha.
Setzen wir das Ergebnis in eqrefimp ein, können wir nach v' auflösen:
al
v v' + cdot fracvcosalpha+cos^alpha cdot cosalpha
v' + fracvcos^alpha+cos^alpha
v' fracv + vcos^alpha - vcos^alpha+cos^alpha
fracv-cos^alpha+cos^alpha.
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