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Prof. F. Wörgötter (nach M.Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 1
Physik für Mediziner und Zahnmediziner
Vorlesung 01
Prof. F. Wörgötter (nach M.Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 2
Literatur
• Harms, V.: Physik für Mediziner und Pharmazeuten (Harms Verlag)
• Harten, U.: Physik für Mediziner (Springer)• Kamke/Walcher: Physik für Mediziner (Teubner)• Seibt, W.: Physik für Mediziner (Thieme) • Trautwein, Kreibig, Hüttermann: Physik für Mediziner,
Biologen und Pharmazeuten (de Gruyter)• Tritthart, H.: Medizinische Physik (Schatthauer)
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...Kategorien
Grundlagen: notwendige Kenntnisse und Fähigkeiten
Wissenswertes: Informationen jenseits des Notwendigen
Für Experten: Medzinische Physik...
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Bewegung des menschlichen Körpers
• Gelenk
• Knochen
• Muskeln (+Sehnen)
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Bewegung des menschlichen Körpers
• Drehachse
• Hebel
• Kraft
BizepsF
TrizepsF
Bewegung = Rotation von Körperteilen um GelenkeBewegung = Rotation von Körperteilen um Gelenke
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Rotation
F
r
Kraft führt zur Rotation des Hebels im Uhrzeigersinn
F
r
Kraft führt zur Rotation des Hebels entgegen dem Uhrzeigersinn
F
r
F
r
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Drehmoment =Kraft x Hebelarm
F
• Drehachse
• Hebelarm
• Kraft
r
F
r
Hebelarm: Vektor von der Drehachse zum Angriffspunkt der KraftHebelarm: Vektor von der Drehachse zum Angriffspunkt der Kraft
Hebelarm und Kraft besitzen Betrag und Richtung, d.h. sie sind Vektoren ( Pfeile über Symbole)
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Drehmoment
Experiment Beobachtung Deutung
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Drehmoment =Kraft x Hebelarm
F
r
F
r
F
r
„Hebelwirkung um so größer je größer der Hebelarm“
FrT
Drehmoment T
(vorläufige Definition)
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Drehmoment =Kraft x Hebelarm
F
r
„Hebelwirkung um so größer je größer die Kraft Fs senkrecht zum Hebelarm“
sFrT
Drehmoment TF
r
F
r
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Drehmoment =Kraft x Hebelarm
F
r
sF a
Fs: Kraftkomponente senkrecht zum Hebelarmr: Hebelarma: Winkel zwischen Hebelarm und Kraft
sinFr
FrT s Das Drehmoment ist das Produkt aus Hebelarm r und Kraft Fs senkrecht zum Hebelarm
Definition:
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Drehmoment =Kraft x Hebelarm
F
r
sF a
FrT
sinFr
FrT s
Der Drehmomentvektor ist das Kreuzprodukt
(Vektorprodukt) aus Hebelarm und Kraft r
FT
Definition:
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...die Einheiten
... (fast) keine physikalische Größe ohne Einheit!
Kraft wird gemessen in Newton: N
Länge wird gemessen in Meter: m
Drehmoment wird gemessen in Nm (sprich: Newtonmeter)
sinFr
FrT s
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Rotation (noch einmal)
F
r
F
r
... die Kraftkomponente senkrecht zum Hebelarm bestimmt die Drehrichtung
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Garnrolle
Experiment Beobachtung Deutung
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Die unartige Garnrolle
F
sF
F
r
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Die artige Garnrolle
sF
F
F
r
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Die sture Garnrolle
F
0Fs
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Gleichgewicht: das Hebelgesetz
Jedes Drehmoment führt zu einer Rotation des Hebels um die Drehachse
oderim Gleichgewicht (Hebel in Ruhe) ist die Summe der
angeifenden Drehmomente gleich Null
Jedes Drehmoment führt zu einer Rotation des Hebels um die Drehachse
oderim Gleichgewicht (Hebel in Ruhe) ist die Summe der
angeifenden Drehmomente gleich Null
1F 1r
2r
2F
0TToderTT 2121
i
i 0T
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Hebelgesetz: technische Ausführung
Kraft x Kraftarm = Last x LastarmKraft x Kraftarm = Last x Lastarm
1F
1r
2r
2F
Last
Kraft
Lastarm Kraftarm
Bemerkung: diese technische Formulierung setzt voraus, dass „Last“ und „Kraft“ jeweils senkrecht zum Lastarm bzw. Kraftarm definiert sind
2F
s
s
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der Mensch als technischer Hebel...
Last: Gewichtskraft des eigenen Körpers (eines Körperteils) oder einer externen Masse
mgmFG
g: Erdbeschleunigung
22 s
m10
s
m81.9g
g
zeigt nach „unten“
Bemerkung: die Physik unterscheidet zwischen Gewicht(skraft) – gemessen in N – und Masse – gemessen in kg
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Exkurs: „Erdbeschleunigung“
F
F
gmR
Mm
R
mMF
22
R
Newtonsches Gravitationsgesetz:
R: Erdradius (= 6370km)
M: Erdmasse (= 5.98 1024kg)
g: Gravitationskonstante (=6.67 10-11m3/kg s2)
22 s
m10
s
m81.9g
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Gravitationswaage
Experiment Beobachtung Deutung
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der Mensch als technischer Hebel...(Forts.)
F2=mg
sinFF 1s1
Hebelgesetz: 2211 FrsinFr
1F
2F
Praktikum: messe für feste Last (F2) die zur Einstellung des Gleichgewichts notwendige Bizepskraft (F1) in Abhängigkeit von a
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Hebelgesetz: Anwendung auf Wippe
m1
m2
Eva und Adam (m1=12kg und m2=18kg) sitzen auf einer Wippe. Eva sitzt am äußersten Ende der Wippe im Abstand 3m von der Drehachse. Wie kann Adam die Wippe ins Gleichgewicht bringen?
Eva
Adam
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Hebelgesetz: Anwendung auf Wippe
EvaAdam
Adam2211Eva TglmglmT
m2m318
12l
m
ml 1
2
12
m1m2
l1 l2
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3 Hebelarten
LastF
KraftF
LastF
KraftF
LastF
KraftF
Drehachse zwischen Kraft und Last Über- oder Untersetzung
Kraft zwischen Drehachse und LastUntersetzung
Last zwischen Drehachse und KraftÜbersetzung
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3 Hebelarten
LastF
KraftF
LastF
KraftF
LastF
KraftF
Federzug-Richtung = Last
GewichtsKraft = Last
sinFF 1s1
a
F1
...die menschlichen Hebel
die menschlichen Hebel sind – aus Sicht des Hebelgesetzes – nicht gut konstruiert: FKraft >> Flast
Ausnahmen: Knöchel- und Kiefergelenk
Grund: Beweglichkeit wichtiger als Kraftübertragung
cosa
Wo ist der F
ehler?
VergleichIndustrieroboter
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Gelenktypen und ihre Freiheitsgrade
HüfteSchulter
hintereHandwurzelgelenke
Knie, EllenbogenDaumengelenk
Gelenk zwischenElle und Speiche
Kehlkopf
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Zusammenfassung: Drehmoment und Hebelgesetz
sinFrFrT sDrehmoment
Im Gleichgewicht ist die Summe der angeifenden Drehmomente gleich Null:Im Gleichgewicht ist die Summe der angeifenden Drehmomente gleich Null:
ii 0T
Kraft x Kraftarm = Last x LastarmKraft x Kraftarm = Last x Lastarm
gmFG
Gewichtskraft
Einheiten: Kraft ...NDrehmoment... Nm
Einheiten: Kraft ...NDrehmoment... Nm
22 s
m10
s
m81.9g
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...was Sie können müssen
F
r
sF avektorielle
Kraftzerlegung
Kraft x Kraftarm = Last x LastarmKraft x Kraftarm = Last x Lastarm
1F
1r
2r
2F
Last
Kraft
Lastarm Kraftarm
Kraft x Kraftarm = Last x LastarmKraft x Kraftarm = Last x Lastarm
1F
1r
2r
2F
Last
Kraft
Lastarm Kraftarm
Analyse und Berechnung einfacher Hebelanordnungen
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Kontrollfragen
• Geben Sie eine notwendige Bedingung dafür, dass sich ein Hebel im Gleichgewicht befindet.
• Geben Sie eine Definition des Drehmomentes, die die Richtung von Kräften und Hebelarmen berücksichtigt.
• Ein einarmiger Hebel wird am äußersten Ende gegenüber der Drehachse belastet. Ist die für das Gleichgewicht notwendige Kraft größer, kleiner oder gleich der Last? Welche der Möglichkeiten können realsiert werden?
• Berechnen Sie die Gewichtskraft (in N) einer Masse m=200g.
• Nennen Sie die Bedingung dafür, dass eine Kraft kein Drehmoment verursacht.