Regelungstechnik Antriebsberechnung Physik

[Lisa (Gast)]

Hallo,

ich habe in der Uni eine Aufgbabe, bei der die Masse m verbunden mit 
einer Feder an der Decke hängt. Aus der Ruhelage heraus soll nun eine 
externe, sinusförmige Kraft an der Masse angreifen, sodass diese in 
Schwingung gerät. Wie groß müsste das Moment eines Motors sein, der 
direkt mit der Masse verbunden ist, um dieser Schwingung entgegen zu 
wirken, so dass sie nicht schwingt?

Meine Idee:
Ich berechne die Gesamtkraft des System, wenn dieses Angeregt wird und 
das ist meine entsprechende Gegenkraft. Also die Kraft (Moment), die der 
Motor aufbringen müsste

Meine Frage:
Gibt es solche Regelungen bzw wo sowas nötig ist in der Realität und wie 
wird das realisiert? Weil man ja immer einen anderen Sollwert erhält 
aufgrund der sinusförmigen Schwingung.

LG, Lisa :)

[L. H. (holzkopf)]

Lisa schrieb:
> Meine Frage:
> Gibt es solche Regelungen bzw wo sowas nötig ist in der Realität und wie
> wird das realisiert? Weil man ja immer einen anderen Sollwert erhält
> aufgrund der sinusförmigen Schwingung.

Fange mit der Beantwortung dieser Frage an, weil ich denke, daß sich 
daraus der richtige Einstieg ergeben kann. :)

Zwar weiß ich weder ob es solche Regelungen gibt, noch wofür sie nötig 
sein könnten.
Aber das ist an einer Uni m.E. an sich irrelevant.
Denn während eines Studiums hat man Aufgabenstellungen sachgerecht zu 
lösen, mit denen man (evtl., vielleicht, ggf.) irgendwann in der 
Realität tatsächlich konfrontiert sein könnte. :D

Schlage vor, daß wir uns zunächst darauf einigen, mangels konkreter 
Angaben Annahmen treffen zu müssen.
Diese Annahmen können vereinfachend sein, und die Freiheit, das tun zu 
dürfen, hast Du genau so, wie die für Dich "günstigsten" Annahmen zu 
treffen. :)
V.a. dann, wenn auch bereits durch die Vereinfachung(en) das Endergebnis 
klipp und klar benannt werden kann.
Annahmen:

1) An der Masse wird aus ihrer Ruhelage heraus eine sin-Schwingung wie 
auch immer durch eine Kraft erzwungen und zwar permanent:
=>https://de.wikipedia.org/wiki/Schwingung => sin an Feder

2) Nachdem keine definitive Aussage dazu vorliegt, worauf sich die 
Ruhelage der Masse bezieht, nimmst Du auch hier wieder den günstigsten 
Fall an:
Ruhepunkt = y_o
D.h. die unter 1) gen. Kraft startet bei y_o die sin-Bewegung

3) Die sin-Bewegung erfolgt mit kleiner Amplitude innerhalb der 
Federkonstante der Feder.
Was mehrerlei beinhaltet:
a) "Überdehnung" und/oder "Stauchung" der Feder wird dadurch 
ausdrücklich ausgeschlossen
b) Eine wechselnde Kraft entsteht insofern nur durch Hub bzw. Zug an der 
Masse - einmal "gegen" und einmal "mit" g
c) verbunden mit der wechselnden Wirkung der Feder bei Hub bzw. Zug an 
ihr

Wenn ich dazu nichts vergessen habe, sollte damit hinreichend genug 
umrissen sein, was zur totalen Kompensation der Schwingung erforderlich 
ist.

Lisa schrieb:
> Wie groß müsste das Moment eines Motors sein, der
> direkt mit der Masse verbunden ist, um dieser Schwingung entgegen zu
> wirken, so dass sie nicht schwingt?

Mit Annahme:
4) deklariertst Du am besten diesen Motor als 
"Kraft-Kompensations-Einheit" zu den Annahmen 1 bis 3).

Wodurch Du zwar die ganze Aufgabe ad absurdum - nämlich Stillstand durch 
jederzeitige Kraft-Kompensation - führst, was Dir aber völlig wurscht 
sein kann, sofern Deine Annahmen stichhaltig und durch die 
Aufgabenstellung nicht widerlegbar sind.
Denn auch das hat man an einer Uni zu lernen:
"Schwammig" gestellte Aufgaben so zu interpretieren, daß man sie mitsamt 
ihrer Tücken einfach "abtropfen" lassen kann.

Dazu muß man aber auch die Tücken erkennen, um von vornherein darauf 
hinzuarbeiten, sie bestmöglich "umschiffen" zu können.
Indem man die ganze Aufgabe "abtropfen" läßt.
Ob Du es glaubst oder nicht:
Auch dafür bekommst Du letztlich an der Uni nach bestandenem Examen 
einen "Schein mit Stempel". :D

Lisa schrieb:
> Meine Idee:
> Ich berechne die Gesamtkraft des System, wenn dieses Angeregt wird und
> das ist meine entsprechende Gegenkraft. Also die Kraft (Moment), die der
> Motor aufbringen müsste

So einfach, wie Du Dir das vorstellst, ist das nicht.
Denn Du kannst die Aufgabe drehen, wenden und interpretieren, wie Du das 
willst.
Keinesfalls wird das etwas daran verändern können, daß - allein 
bedingt durch die sin-Bewegung - jederzeit wechselnde Kräfte vorliegen.

Selbst wenn wir mal g und die Federkonstante vereinfachend weglassen 
wollen:
Ein "waschechter" sin ist durch eine Kreisfrequenz w
https://de.wikipedia.org/wiki/Kreisfrequenz
eindeutig determiniert.
Eine definitive Angabe diesbzgl. sehe ich in der Aufgabe genau so wenig 
wie eine dazu, ob es sich etwa um eine gedämpfte Schwingung handeln 
sollte.

Die Rede ist lediglich davon, daß der Schwingung so entgegen gewirkt 
werden soll, daß sie nicht mehr schwingt.
Ab wann oder von vornherein??
Die ganze Aufgabe ist m.E. nur kompletter Unsinn!

Keinerlei präzise Angaben, die entspr. verwertet werden könnten.
Deshalb auch die m.E. einzig logische Konsequenz:
Abtropfen lassen. :D

Denn jeglicher Lösungsversuch bei derartig erbärmlichen Angaben in einer 
Aufgabenstellung dürfte zwangsläufig zum Scheitern verurteilt sein.
Auch so etwas überblicken zu können, wird an einer Uni erwartet.
Stell Dir nur mal vor, in einem Examen hättest Du so eine Aufgabe zu 
lösen:
Da kannst Du Dir dann das Hirn zermartern und wirst das schließlich doch 
nur "vergeigen". ;)

Hoffe, das hilft Dir etwas weiter. :)

[Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann)]

Gibt es zu dieser dubiosen Aufgabe auch eine Skizze? Ohne weitere 
Angaben stelle ich mir unter der Feder eine Zugfeder vor (linear). Ein 
Motor wirkt dagegen im Allgemeinen (abgesehen von Linearmotoren und 
Hubzylindern) rotatorisch. Da fehlt also irgendwo eine Umwandlung in 
eine translatorische Bewegung, damit aus dem Drehmoment eine Kraft wird.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[L. H. (holzkopf)]

Thorsten O. schrieb:
> Ohne weitere
> Angaben stelle ich mir unter der Feder eine Zugfeder vor (linear). Ein
> Motor wirkt dagegen im Allgemeinen (abgesehen von Linearmotoren und
> Hubzylindern) rotatorisch.

Ja, es ist auch m.E. völlig richtig, von einem linear (vertikalen) 
Bewegungsablauf (längs der Feder) auszugehen.
Denn anders läßt sich der sin nicht realisieren.

Mit der Annahme 1) wurde auch eine weitere verborgene Tücke der Aufgabe 
"erschlagen". ;)

Denn rein theoretisch könnten wir die sin-Bewegung der Masse durch einen 
mit ihr gekoppelten Kurbeltrieb des Antriebsmotos erzwingen (wollen), um 
dadurch die Kreisfrequenz w erreichen zu können.
Vergleichbar mit einem stinknormalen Kurbeltrieb in Verbrennungsmotoren, 
bei denen über den Kurbeltrieb ebenfalls eine Linearbewegung der Kolben 
erzwungen wird.
Nur:
Das ist in der Praxis alles andere als eine symmetrisch gleichförmige 
Bewegung im Aufwärts- und Abwärtshub.
Und erfüllt somit keinesfalls die Anforderung an eine harmonische 
Schwingung.
Nicht einmal ein dem Kurbeltrieb nachgeordneter Kreuzkopf, um die 
Linearbewegung längs der Feder sicherstellen zu können, vermag daran 
etwas zu verändern.

[Karl (Gast)]

Lisa schrieb:
> Wie groß müsste das Moment eines Motors sein, der
> direkt mit der Masse verbunden ist, um dieser Schwingung entgegen zu
> wirken, so dass sie nicht schwingt?

Ohne Skizze ist die Aufgabe sinnlos. Wenn ich an eine idealisiere Masse 
einen "Motor" d.h. ein Drehbewegung anbringe, kann ich kein Moment 
erzeugen, weil ich keinen Hebelarm habe. Wenn man die 
Schwingungserregung der externen Kraft mit einem Motor aufheben möchte 
muss ich entweder den Motor fixiren und mit einem Hebel der Länge l mit 
der Masse verbinden, oder ich muss an den Motor zwei gegenläufige 
Unwuchten Anbringen, deren Fliehkräfte die Externe Anregung aufheben.