1.4.1.A
Gegeben
Größen :
\[\begin{split}m_1 = 3\,\mathrm{kg} \qquad,&\qquad
\begin{bmatrix}
x_1\\
y_1
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
0\\
3
\end{bmatrix}
\mathrm{m}
\\
m_2 = 3\,\mathrm{kg} \qquad,&\qquad
\begin{bmatrix}
x_2\\
y_2
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
6\\
3
\end{bmatrix}
\mathrm{m}\end{split}\]
Dies sind die Massen und die Koordinaten der Punktmassen.
a) Schwerpunkt-Koordinaten
Berechnen Sie die Koordinaten des Schwerpunkts S. Zeigen Sie, dass:
\[\begin{split}\begin{bmatrix}
x_S\\
y_S
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
3 \,\mathrm{m}\\
3 \,\mathrm{m}
\end{bmatrix}\end{split}\]
Lösung
\[\begin{split}x_S
&= \tfrac{x_1 m_1+x_2 m_2}{m_1+m_2}\\
&= \tfrac{0 \,\mathrm{m}\cdot 3\,\mathrm{kg}+6 \,\mathrm{m} \cdot 3\,\mathrm{kg}}{6 \,\mathrm{kg}}\\
&= \tfrac{6 \cdot 3 \,\mathrm{m} \,\mathrm{kg}}{6\,\mathrm{kg}}\\
&= 3 \,\mathrm{m}\\
\\
y_S
&= \tfrac{y_1 m_1+y_2 m_2}{m_1+m_2}\\
&= \tfrac{3 \,\mathrm{m}\cdot 3\,\mathrm{kg}+3 \,\mathrm{m} \cdot 3\,\mathrm{kg}}{6\,\mathrm{kg}}\\
&= 3 \,\mathrm{m}\\\end{split}\]
b) Abhängigkeit von α
Seien jetzt die Massen \(m_1\) und \(m_2\) nicht mehr als Größen gegeben, sondern nur noch als Symbole . Sei außerdem ab jetzt gegeben die Gesamtmasse \(m = m_1 + m_2\) und der Anteil von \(m_2\) an der Gesamtmasse:
\[\alpha
= \tfrac{m_2}{m}\]
Für \(m_1\) bzw. \(m_2\) folgt daraus:
\[\begin{split}m_2 &= \alpha m \\
m_1 &= (1-\alpha)m\end{split}\]
Berechnen Sie die Schwerpunkt-Position abhängig von \(\alpha\) . Zeigen Sie, dass:
\[\begin{split}\begin{bmatrix}
x_S\\
y_S
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
x_1\\
y_1
\end{bmatrix}
+ \alpha
\begin{bmatrix}
x_2- x_1 \\
y_2- y_1
\end{bmatrix}\end{split}\]
Lösung
\[\begin{split}x_S
&= \tfrac{x_1 m_1 + x_2 m_2}{m_1 + m_2} \\
&= \tfrac{x_1 m_1}{m_1 + m_2} + \tfrac{x_2 m_2}{m_1 + m_2} \\
&= \tfrac{x_1 m_1}{m} + \tfrac{x_2 m_2}{m} \\
&= (1 - \alpha)x_1 + \alpha x_2 \\
x_S
&= x_1 +\alpha (x_2- x_1)\end{split}\]
Ebenso gilt:
\[\begin{split}y_S
=
y_1+\alpha (y_2- y_1)\\\end{split}\]
Zusammengefasst mit Matrizen:
\[\begin{split}\begin{bmatrix}
x_S \\
y_S
\end{bmatrix}
&=
\begin{bmatrix}
x_1 + \alpha (x_2- x_1) \\
y_1 + \alpha (y_2- y_1)
\end{bmatrix}
\\
&=
\begin{bmatrix}
x_1\\
y_1
\end{bmatrix}
+ \alpha
\begin{bmatrix}
x_2- x_1 \\
y_2- y_1
\end{bmatrix}\end{split}\]
Spezialfälle
\(\alpha=0\) : Schwerpunkt bei \(m_1.\)
\(\alpha=1\) : Schwerpunkt bei \(m_2.\)
\(\alpha=\tfrac 1 2\) : Schwerpunkt in der Mitte zwischen \(m_1\) und \(m_2.\)