PHIT Formeln 0 PrΓΌfungsvorbereitung Berkeley-Madonna π‘ ππ
Analogie Ableitung/Integation (vgl. β«0 π ππ‘ ππ‘ = π(π‘π ) β π(0)): π/ππ fliess in den Topf; β« fliess aus dem Topf In-Flow und Out-Flow
Federn 0 0 ββ = ( 0 ) = ( 0 πΉ ) π(π§) βπ(π§ β π0 ) Energie einer Feder ist eine Parabel mit Minimum bei π₯ = π0; πΈπΉ β πΈ0 + π β
ββ | = |πΉ
(π§βπ0 )2 2
π πΈ = βπ(π§ β π0 ) ππ§ πΉ
π2π§ π π = β π§ β π§(π‘) = π΄cos(ππ‘ β π), π = β 2 ππ‘ π π
They see me rollin' βπ=π£ π£ βπ+π ββ Γ πβππ Ein Rad roll waagrecht mit fixem Punkt π (auf dem Boden), Radius π, Winkelgeschwindigkeit π; Winkel ist π(π‘) = ππ‘ 0 βπ 0 βπ£π = (π£π ) , π ββ = ( 0 ) , πβππ = (βπ β
sin(ππ‘)) 0 βπcos(ππ‘) 0 0 0 βπ 0 0 βπ=π£ π£ βπ+π ββ Γ βπππ = (π£π ) + ( 0 ) Γ (βπ β
sin(ππ‘)) = (π£π ) + (βππcos(ππ‘)) 0 βπcos(ππ‘) ππsin(ππ‘) 0 0 Allgemeine Rollbedingung BerΓΌhrungspunkt mit Boden (hier initial π) muss Geschwindigkeit 0 haben: π£π β ππ = 0.
Wie gross muss die Geschwindigkeit des Schwerpunktes des Objekts sein, dass die Winkelgeschwindigkeit "passt" (allg. Rollbedingung)? Schwerpunkt π , eine volle Rotation entspricht π₯π₯ π£ = ππ β π₯π₯ = π£π π₯π‘ = πππ₯π‘ Konvention Zeigt der Vektor zum Betrachter, so rollt es im Gegen-UZS.
1 Kinematik Kreisbewegung πcos(ππ‘) πβ (π‘) = ( ) , | πβ (π‘)| = π πsin(ππ‘) β (π‘) = ( π£
βππsin(ππ‘) ),|π£ β (π‘)| = ππ ππcos(ππ‘)
βππ2 cos(ππ‘) β (π‘) = ( π ),|π β (π‘)| = ππ2 βππ2 sin(ππ‘)
Wurf Kraft auf Masse ist (0,0, ππ), somit ππ₯,0 + π£π₯,0 π‘ π£π₯,0 0 ππ¦,0 + π£π¦,0 π‘ β = (0) , π£ π β (π‘) = ( π£π¦,0 ) , πβ (π‘) = ( ) π‘2 π£π§,0 β ππ‘ π ππ§,0 + π£π§,0 π‘ β π 2 β’
Vertikaler Wurf: π£π₯,0 = π£π¦,0 = 0, π£π§,0 β 0
β’
Wurd vom Dach eines Hauses der HΓΆhe β: ππ§,0 = β; Approximation π‘ β β2β/π
β’
Schiefer Wurf in π₯-Richtung: π£π₯,0 β 0, π£π¦,0 = 0, π£π§,0 β 0
im Slidedeck: Tabelle fΓΌr konstante Beschleunigung
2 Mechanik ββ = π π πΉ β mit π πβ /ππ‘ = π£ β , π 2 πβ /ππ‘ 2 = π β
Federn π β
π(π‘) = πΉπ πππππ , π β
π₯Μ (π‘) = βπ(π₯(π‘) β π₯π
π’βπ ) ungedΓ€mpft:π β
π₯Μ (π‘) = βπ β
π₯(π‘), gedΓ€mpft π β
π₯Μ (π‘) = βπ(π₯(π‘) β π₯π
π’βπ ) β πΎ π₯Μ im Slidedeck: Ballistik
3 Impuls und Energie β = ππ£ π β
Energie πππ2 [π½] = [ 2 ] π ββββ π2
β β
π πβ πΈπππβ = β« πΉ ββββ π1
πΈπππ = π
π£2 2
πΈπΉππππ =
π(π₯ β πΏ)2 2
Kugel fΓ€llt von HΓΆhe π»: πΈπππ‘ = ππβ(π‘), πΈπππ‘ (0) + πΈπππ (0) = πππ» β π£(π‘) = β2π (π» β β(π‘)) im Slidedeck: Absprengung kleiner Masse von grosser Masse, Kollision zweier Massen
4 Ausgedehnte KΓΆrper πΈπππ‘
π2 =π½ 2
Geschwindigkeit von Punkt π in einem starren KΓΆrper: π£ βπ=π£ βπ+π£ β ππ = π£ βπ+π ββ Γ πβππ β = (πβ β π
β ) Γ (π π£ ββ ) Γ π Drehimpuls: πΏ β ) = (πβ β π
β im Slidedeck: rollende KΓΆrper, Hebelgesetz, Leitern an der Wand
5 Potentiale, Leistung βπΈ = ππππ π‘. ββ β
π₯ πβ, im Gravitationsfeld von π΄ nach π΅: π = ππβπ΅ β ππβπ΄ π₯π = πΉ β | β
cos(πΌ) β β
βπ = |π π β | β
|π
Anziehung, Gravitation βπΉ β 12 = βπΉ β πΊ = βπΎ β
πΈπππ‘ = β
π1 π2 ππ2 πβ12 β11 β
β π , πΎ = 6.67 β
10 [ ],π β 12 = 12 2 2 |πβ12 | |πβ12 | ππ
πΎππ πππ πΎπ
Gravitationspotential = Energie pro Masse: π(π) = π
ππ
Leistung Leistung = Energie pro Zeit Gebiet Stoffmenge Potential Energie ElektrizitΓ€t Ladung π Spannung π πΈ = ππ Hydraulik Volumen π Gravitation Masse π
Druck π πβ
Leistung π = ππΌπ
πΈ = ππ π = π₯ππΌπ πΈ = ππβ π = ππ₯βπΌπ
im Slidedeck: Satellitenabschuss, schwarze LΓΆcher
6 Elektrische Felder ββ 12 = 1 πΉ 4ππ
π1 π2 0
β 12 |2 |π
πΆ2 10β12 [π½π];
β π
β 12 ist die Kraft auf π1 verursacht durch π2 , π π β 12 = |πβ12 | , π0 = 8.859 β
12
fΓΌr mehrere Ladungen: aufsummieren.
βπΉ β = π βπΈ β 1
ββ (π) = πΉ β 12 = Kugel: πΈ 4ππ
π 0
β |2 |π
ββ (π) = πΉ ββ 12 = β Zylinder: πΈ π 2ππ
π β β₯| 0 |π
β β₯ , Ladungsdichte π (dΓΌnner π
π Zylinder = Draht) Platte: βπΈ (π) = βπΉ12 = 2π π β , FlΓ€chenladungsdichte π 0
β π
β π
β π π β πΈπππ‘ (πβ) = β β« π βπΈ π π β , πππ = β β« βπΈ β
Spannung π = π(πβ1 ) β π(πβ2 ) β (πβ) βπ»πΈπππ‘ (πβ) = βπΉ
β
β (πβ) βπ»π(πβ) = βπΈ π΄π
Kondensator - KapazitΓ€t πΆπ = π β πΆ = πΏ 0 ,Energie πΈππ = FlΓ€che π΄, Abstand πΏ, Volumen π; fΓΌr 2 Platten ist π2 = βπ1
πΆπ 2 2
, πΈπππ‘ =
π΄π0 πΏ2 πΈ 2 πΏ
2
=π
πΈ 2 π0 2
, mit
7 RC-Systeme Spannung π = Potentialdifferenz; Strom πΌ = Γnderungsrate der Ladung π, sprich πΌ =
ππ ππ‘
Potentielle Energie πΈ, Leistung π πΈ = ππ = ππ ππΈ
ππ
falls Spannung ππππ π‘.: ππ‘ = πππ‘(ππ) = π ππ‘ = ππΌ = π β π = ππΌ Knotenregel: βπΌ = 0; basiert auf Ladungserhaltung, gilt immer Maschen-/Schlaufenregel: βπ = 0; basiert auf Energieerhaltung, gilt nur falls keine, zeitlich verΓ€nderlichen Γ€ussere Felder auftreten π = π
πΌ Kondensator: Bilanzgleichung der Ladung in der Platte, zu der der Strom hinfΓΌhrt:
ππ ππ‘
=πΌ
Widerstand ππ
Kondensator ππΆ Spule ππΏ ππ ππ
= πΌπ
ππΆ = π/πΆ ππΏ = πΏ ππ‘ Batterien: π = π0 β πΌπ
πΌ mit Klemmemspannung π0 und Verbraucswiderstand π
; Strom π0 folgt mit Leerlaufspannung und Widerstand π
+ Maschenregel: πΌ = π
+π
πΌ
8 Induktion ββ -Felder gehen vom Nordpol zum SΓΌdpol π΅ βββ ββ πΉπΏ = π π£ β Γπ΅ Zyklotonradius π =
ππ£ ππ΅
ββ π§πππ‘ππππ’πππ | = |πΉ βββπΏ | mit |πΉ
ββ πππππ = π(πΈ β +π£ ββ ) πΉ β Γπ΅ rechtshΓ€ndiges Koordinatensystem: Daumen = technische Stromrichtung, Zeigfinger ββ (N-S), Mittelfinger Richtung der Lorenzkraft πΉ βπΏ Richtung des Magnetfeldes π΅ Wechselstromerzeugung mit gleichfΓΆrmig drehender Schlaufe: π(π‘) = π0 sin(ππ‘ + π0 ) Spule ist (fast) eine Menge vieler Kreisschlaufen mit addierenden Feldern
ββ = β« ββ , π π΅ ββ = Magnetfeldes eines Leiters ist π΅ ππ΅ π€πππ
β π0 πΌππΓπ β |3 4π|π
ππ
mit π0 = 4π β
10β7 [π΄π]
0 π₯ ββ = (β π0 πΌ ) FΓΌr einen geraden Draht mit πβ = ( 0 ) ist π΅ 2ππβ₯ πβ₯ 0 π
PermeabilitΓ€t: π΅ = ππ π0 πΏ πΌ mit π Windungen, Strom πΌ, LΓ€nge πΏ, PermeabilitΓ€tszahl der Spule ππ (Fe: 5000, Luft, Wasser: 1) β ||π΅ ββ |cos(π) Fluss eines Feldes durch FlΓ€che: π· = |π΄ ββ
ββ
π ππ΄ β + ππ΅ β
βπ΄) mit FlΓ€che π΄, Farrady'sches Induktionsgesetzt: ππππ = β ππ‘ π· = β― = β ( ππ‘ β
βπ΅ ππ‘ Schlaufe π π β ||π΅ ββ |cos(ππ‘) = FΓΌr konstant drehende FlΓ€che π(π‘) = ππ‘ und βπ΄ (π‘) gilt ππππ (π‘) = β ππ‘ |π΄ β π΄π΅πsin(ππ‘) mit FlΓ€che der Schlaufe π΄ und π΅ als StΓ€rke des Magnetfeldes βπ΅
Wechselspannung ππππ mit Amplitude π0 und Frequenz π[π»π§], Kreisfrequenz π: π0 = β ||π΅ ββ |, π = π , ππππ (π‘) = π0 sin(2πππ‘) π|π΄ 2π π = π β1 =
2π π
, π(π‘) = π΄sin(2πππ‘) = π΄sin(ππ‘)
Einfaches Senden + Empfange: 1. Erzeugen periodischer Driverspannung ππ πππ£π, 2. Faraday β , 3. \vec{B} erzeugt Spannung πππππππ£ in Receiverschlaufe erzeugt daraus βπ΅ β β = π0 πΌππΌΓπ Lenz'sche Regel - Magnetfeld eines Ringstroms π βπ΅ β ]3 4π|π
im Slidedeck: Perpetuum Mobile, Railun, Coilgun, Wirbelstrombremse
9 Wechselstrom Impedanz πππππ =
π0 β2
FΓΌr vergleichbaren Gleichstrom ππΊ (der ja nicht sin(π‘) abhΓ€ngig ist), gilt π0 = β2ππΊ (FΓΌr Schweiz: πππππ = 230π, π0 = 325π) RC-Schaltkreis und Wechselspannung: fΓΌhrt zu WechselstrΓΆmen; Spannung ΓΌber den einzelnen Komponenten fΓ€llt frequenzabhΓ€ngig ab π β ||π΅ ββ |cos(ππ‘) = π΄π΅πsin(ππ‘) Faraday fΓΌr Schlaufen: ππππ (π‘) = β ππ‘ |π΄ π β ||π΅ ββ |cos(ππ‘) = ππ΄π΅πsin(ππ‘) Faraday fΓΌr Spule: ππππ (π‘) = βπ ππ‘ |π΄
ββ und Anzahl Windungen π mit FlΓ€che der Schlaufe π΄ und π΅ als StΓ€rke des Magnetfeldes π΅
π1
π1
πΌ2
Transformator mit Eisenkern und zwei Spulen: π2 = π2 = πΌ1 ππΌ
Spannungsabfall ΓΌber Spule ππΏ = πΏ ππ‘ ππ 2 π΄
Elektrische InduktivitΓ€t πΏ = β [Henry] mit SpulenlΓ€nge (nicht DrahtlΓ€nge) β, π Windungen, QuerschnittsflΓ€che π΄ und PermeabilitΓ€t π = ππ π0 Dynamik von Schaltungen: β’
RC: StrΓΆme durch ππ/ππ‘ ersetzen
β’
LRC: Ladungen und StrΓΆme verwenden
Periode in LC: π = 2πβπΏπΆ im Slidedeck: Low-/High-Pass Filter, Schaltungen mit induktiven Elementen, Henry, Schwingkreis, Impedanz, Drehstrom
10 Schwingungen Resonanz Lineare Feder (= Kraft linear proportional zur Ausdehnung) mit Federkonstante π[N/m], π GleichgewichtslΓ€nge πΏ (bei dieser LΓ€nge wirken keine KrΓ€fte): βπΉ = βπ(|πβ| β πΏ) |πβ|; mit nur einer Koordinate: πΉ = βπ(π β πΏ) Masselose, hΓ€ngende Feder: πΉπΉ = βπ(π§ β πΏ0 ) Mit Masse: πΉ = πΉπΉ + πΉπΊ = βπ(π§ β πΏ1 ), πΏ1 = πΏ0 +
ππ π
FΓΌr Usprung = Gleichgewichtslage gilt: πΉ = βππ§β² Dynamik: π§(π‘) = π§0 cos(ππ‘) + π=
π£0
π
sin(ππ‘) = π΄cos(ππ‘ β π), π = βπ π
2π , π = π β1 π‘
π 2 2 π π π΄ π sin(ππ‘ β π)2 , πΈπππ‘,πΉππππ = π§ 2 , πΈπππ‘,ππβπ€ππππ’ππ = π΄2 cos(ππ‘ β π)2 , πΈπ‘ππ‘ 2 2 2 ππ΄2 π2 π΄2 = =π 2 2 πΈπππ =
Hydrodynamische Reibung / DΓ€mpfung durch Stokes-Reibung: π πΎ
π
π2 π§(π‘) ππ‘ 2
= βππ§ β πΎπ£π§ , πΏ =
πΎ2
, π = βπ β 4π2 2π Resonanz (Schwingung durch Γ€ussere Anregung, πΉππ₯π‘ ): π π₯Μ (π‘) = βπ(π₯ β π₯π
π’βπ ) β πΎ π₯Μ + πΉ0 sin(πΊπ‘) (AuflΓΆsungen nach π₯ und Amplitude im Slidedeck)
im Slidedeck: AnnΓ€herung von Potentialen durch Schwingungen
11 Elektromagnetische Wellen im Vakuum π in Kelvin!! Ausbreitungsgeschwindigkeit π =
π π
= ππ
Eine beschleunigte Ladung strahlt Energie ab. Planck: πΌ(π, π‘) =
2βππ 3
1
π2
βπ π ππ΅ π β1
, πΌ(π, π‘) =
2βππ 2
1
π5
βπ π πππ΅ π β1
π
Wien'sches Verschiebungsgesetz: ππππ₯ = π β = 6.626 β
10β34 [Js] π = 2.8978 [mm K] Stefan-Boltzmann: π = ππ΄π 4 π = 5.67 β
10β8 [W / m^2 K^4] 4 Energetische Strahlungsbilanz: πΌπΈ = ππ΄(ππΎ4 β ππππ£ )
im Slidedeck: Maxwell-Gleichungen, Dipolantenne, Fourierreihen, schwarze Strahler, Planetentemperatur
12 Thermische Strahlung, Elektromagnetische Wellen in Materie Nanomaschinen benΓΆtigen keine KΓΌhlung π₯
Lichtabsorption: πΌπΏ (π₯) = πΌπΏ,0 π βπ
im Slidedeck: Lambert-Strahler, TreibhΓ€user/Treibhauseffekt