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Reduzierte Masse - Wikipedia

Reduzierte Masse

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Wenn sich zwei Körper mit Massen m1 und m2 unter dem Einfluss einer verschwindenden Gesamtkraft bewegen, so lassen sich die Bewegungsgleichungen in die freie Bewegung des Schwerpunktes und das Ein-Körper-Problem der Relativbewegung aufspalten. Dabei bewegt sich der relative Abstand wie ein Teilchen, das die reduzierte Masse m hat,

m=\frac{m_1 m_2}{m_1+m_2}\ ,\quad{1 \over m}= {1 \over m_1} + {1 \over m_2}\ .

Je nach Masse m_1\ge m_2 des schwereren Körpers hat die reduzierte Masse Werte zwischen m2 / 2 und m2. In wichtigen Fällen (Planetenbewegung, Bewegung eines Elektrons im Coulomb-Feld des Atomkerns) unterscheiden sich die Massen des schwereren und des leichteren Körpers um mehrere Größenordnungen. Dann ist die reduzierte Masse fast die Masse des leichteren Teilchens,

m=\frac{m_2}{1+m_2/m_1} \approx m_2 (1- \frac{m_2}{m_1})\approx m_\mathrm 2\ .

In vielen Lehrbüchern wird die reduzierte Masse mit dem griechischen Buchstaben µ abgekürzt.

[Bearbeiten] Herleitung

Bei verschwindender Gesamtkraft lauten die Bewegungsgleichungen für die Orte \vec{r}_1 und \vec{r}_2 der beiden Körper

m_1 \frac{\mathrm{d}^2\vec{r}_1}{\mathrm{d}t^2}=\vec{F}\ ,\quad m_2 \frac{\mathrm{d}^2\vec{r}_2}{\mathrm{d}t^2}=-\vec{F}\ .

Summiert man beide Gleichungen, so erhält man für den Schwerpunkt

\vec{R}=\frac{m_1\vec{r}_1+m_2\vec{r}_2}{M}\ ,\quad M = m_1+m_2\ ,

die Bewegungsgleichung

M\,\ddot{\vec{R}} = 0

eines freien Teilchens. Also bewegt sich der Schwerpunkt gradlinig, gleichförmig,

\vec{R}(t)=\vec{R}(0)+t\,\vec{V}(0)\ .

Teilt man die Bewegungsgleichung der Teilchen durch die Massen und nimmt die Differenz, erhält man für den Abstand \vec{r}=\vec{r}_1-\vec{r}_2 die Bewegungsgleichung

\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2} (\vec{r}_1-\vec{r}_2)= (\frac{1}{m_1}+\frac{1}{m_2}) \vec{F} = \frac{1}{m}\vec{F}\ ,\quad m\,\frac{\mathrm{d}^2\vec{r}}{\mathrm{d}t^2}= \vec{F}\ .

Er bewegt sich also wie ein Teilchen der reduzierten Masse m unter Einfluss der Kraft \vec{F}\,.

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