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Aufgabe:

Im entspannten Zustand befindet sich das obere Ende einer Feder mit der Federkonstanten k bei x = 0. Legt man eine Masse auf das Federende, drückt dann die Feder bis x1 zusammen und lässt die Feder entspannen, so wird die Masse m bis zu einer Höhe x2 gegen die Erdanziehungskraft senkrecht nach oben geschleudert.

Berechnen Sie die Höhe x2, welche die Masse erreicht, für die gegebenen Werte:
m = 1kg, k = 900 N/m, x1 = -20 cm.

Lösen Sie die Aufgabe mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes.

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physik 1.PNG

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Aloha :)

Im höchsten Punkt \(x_2\) hat die Kugel die Geschwindigkeit \(0\) und daher keine kinetische Energie. Zur Überwindung der Höhendifferenz \((x_2-x_1)\) wurde die gesamte in der Feder gespeicherte Spannenergie \(E_S=\frac12kx_1^2\) in potentielle Energie \(E_P=mg(x_2-x_1)\) umgewandelt:$$mg(x_2-x_1)=\frac12kx_1^2\quad\big|\div(mg)$$$$x_2-x_1=\frac{kx_1^2}{2mg}\quad\bigg|+x_1$$$$x_2=x_1+\frac{kx_1^2}{2mg}$$

Wir setzen alle Werte ein und erhalten:$$x_2=-20\,\mathrm{cm}+\frac{900\,\frac{\mathrm N}{\mathrm m}\cdot(-20\,\mathrm{cm})^2}{2\cdot1\,\mathrm{kg}\cdot9,81\,\frac{\mathrm m}{\mathrm s^2}}=-0,2\,\mathrm m+\frac{900\,\frac{\frac{\mathrm{kg}\,\mathrm m}{\mathrm s^2}}{\mathrm m}\cdot(-0,2\,\mathrm{m})^2}{2\cdot1\,\mathrm{kg}\cdot9,81\,\frac{\mathrm m}{\mathrm s^2}}$$$$\phantom{x_2}=-0,2\,\mathrm m+\frac{900\,\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm s^2}\cdot0,04\,\mathrm m^2}{19,62\,\frac{\mathrm {kg}\,\mathrm m}{\mathrm s^2}}=-0,2\,\mathrm m+1,83\,\mathrm m\approx1,63\,\mathrm m$$

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