Physik - Mechanik Die Masse macht's
Beim Start eines Flugzeugs drückt es die Passagiere in die Sitze. Einen Motorradfahrer, der sich verschätzt, trägt es aus der Kurve. Ein Astronaut im Weltall bewegt sich in Schwerelosigkeit. Überall gilt: Die Masse macht's.
Diese Sendung von Telekolleg-Physik beschäftigt sich mit dem Zusammenhang von Beschleunigung, beschleunigender Kraft und der "trägen" Masse eines Gegenstands. Dieses zweite Gesetz von Newton nimmt eine herausragende Position in der Mechanik ein. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Beschleunigende Kraft
Beim Start eines Flugzeugs erfährt ein Passagier deutlich die physikalischen Größen, die in dieser Sendung eine Rolle spielen: Zum einen die beschleunigende Kraft, die sie oder ihn in den Sitz drückt; ferner die Rollgeräusche, die das Gefühl für die große Beschleunigung übermitteln, und schließlich beim Erreichen der Abhebe-Geschwindigkeit die Beruhigung, dass es wieder einmal gelungen ist, die gewaltige Flugzeugmasse zum Fliegen zu bringen.
Das Segelflugzeug wird mit einem Seil durch eine Winde hochgezogen.
Bei einem Segelflugzeug wird die beschleunigende Kraft von außen über ein Zugseil wirksam. Am Ende der Startbahn befindet sich ein Fahrzeug mit einer starken Motorwinde. Damit wird das Segelflugzeug beschleunigt und in eine große Starthöhe gezogen.
Trägheitssatz
Erdbeschleunigung
g = 9,81 m/s2.
Auch die Gewichtskraft verursacht eine Beschleunigung,die Erdbeschleunigung
g = 9,81 m/s2.
"Schwerelosigkeit" im Weltall
Im Weltall wird die Gewichtskraft nicht wahrgenommen, hier bleiben alle Gegenstände freischwebend in Ruhe oder sie bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit, solange keine beschleunigende Kraft auf sie einwirkt.
Demonstration des Trägheitsprinzips
Zur Demonstration des Trägheitsprinzips wurde in eine Straßenbahn eine gerade Strecke einer Spielzeugeisenbahn eingebaut:
Beim Bremsen der S-Bahn beschleunigt die Spielzeugeisenbahn
Sobald die Straßenbahn abbremst, setzen sich aus Sicht der Passagiere die Wagons der Spielbahn nach vorne in Bewegung, weil sie ohne besondere Reibung auf ihren Spielzeugschienen stehen.
Der Abbremsvorgang führt zu einer Geschwindigkeitsdifferenz.
Eine Beobachtung von einer Außenposition entlarvt diese scheinbare Beschleunigung als Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit.
Eine Kugel liegt auf dem rollenden Wagen.
Ein ähnliches Phänomen tritt bei Kurvenfahrten auf: Eine Kugel liegt unbefestigt auf der Ladefläche eines Wagons hinter einer Spielzeuglokomotive.
Die Kugel behält in der Kurve ihre Bewegungsrichtung bei.
Sobald der Zug in eine Kurve abbiegt, rollt die Kugel vom Wagen. Aber auch hier wirkt keine äußere Kraft! Im Gegenteil, weil keine Kraft auf sie wirkt, behält die Kugel ihre ursprüngliche Bewegungsrichtung bei.
Der Serviettentrick - möglichst ruckartig ziehen
Ein Trick zum Phänomen Trägheit: Mit einem Ruck wird ein Blatt Papier unter einem Gefäß weggezogen, ohne dass etwas verschüttet wird.
Dieses Schulexperiment war Vorbild für eine Wette in einer Fernsehsendung: Die Tischdecke einer sehr langen Hochzeitstafel wurde mit einem Pkw so schnell weggezogen, dass (fast) alles Geschirr heil blieb.
Kraftmessung
Aufbau eines Kraftmessers: Feder, Zeiger und Skala
Ein Kraftmesser besteht aus einer Schraubenfeder, an der ein Zeiger befestigt ist, und einer in Newton geeichten Skala.
Die Dehnung der Feder ist ein direktes Maß für die wirkende Kraft in der Einheit Newton oder einer Vielfachen.
Haltekraft von 140 N beim Bremsen
Damit lassen sich zum Beispiel Kräfte messen, die beim Beschleunigen oder Abbremsen in Fahrzeugen auftreten. In einem Bus müssen sich stehende Passagiere mit einer bestimmten Kraft festhalten, damit sie bei Haltestellen nicht nach vorne fallen. Auch beim schnellen Anfahren werden Kräfte spürbar.
Kraftgesetz von Newton
Ein Wagon der Spielzeugeisenbahn wird mit einem Propeller-Antrieb versehen, der für eine konstante beschleunigende Kraft sorgt.
Beladener Wagen mit Propeller-Antrieb
Um den Zusammenhang zwischen Masse und Beschleunigung zu ermitteln, werden unterschiedliche Massenstücke aufgelegt und anschließend wird jeweils die Beschleunigung gemessen.
Beschleunigungsmessungen mit konstanter Kraft und unterschiedlicher Masse
Bei doppelter Masse halbiert sich die Beschleunigung – a ist indirekt proportional zu m. In einer zweiten Versuchsreihe wird die Masse konstant gehalten und die Beschleunigung für verschiedene Kräfte gemessen:
Kraftgesetz:
F = m · a
Bei doppelter Kraft verdoppelt sich auch die Beschleunigung – a ist proportional zu F. Insgesamt ergibt sich das Kraftgesetz: F = m · a.
Masse als Grundgröße
Gegenstände mit je 1 kg: Styropor, Holz, Aluminium, Blei.
Nach der internationalen Festlegung der Einheiten (SI = Système International d’Unités) ist das Kilogramm eine Grundgröße, ebenso wie Meter und Sekunde. Die Einheiten für Beschleunigung und für Kraft sind daraus abgeleitet.
Normkilogramm in Paris mit Vakuumglocke und Staubschutz
Gegenstände mit der Masse 1 kg haben je nach Material ganz unterschiedliche Größe.
In einem Institut bei Paris wird das sog. Normkilogramm aufbewahrt.
Gewichtskraft G von 9,81 N auf eine Masse von 1 kg
Auf jede Masse wirkt die Gewichtskraft G; diese bewirkt im freien Fall die Erdbeschleunigung g. Ist die Masse in Ruhe, dann muss die Haltekraft gleich G sein.
Auf dem Mond ist die Gewichtskraft nur ein Sechstel so groß wie auf der Erde, dem entsprechend ist auch die "Mondbeschleunigung" nur ein Sechstel der Erdbeschleunigung.
Astronauten auf dem Mond haben eine Gewichtskraft GMond von nur 1/6 von GErde.
Crash-Test
Crash-Test mit 53 km/h an eine starre Wand
Bei einem Crash-Test treten enorme Bremsverzögerungen auf, die gemäß dem Kraftgesetz gewaltige Kräfte auf die Insassen bewirken. Eine Zeitlupen-Studie erlaubt eine Berechnung:
Berechnung der Beschleunigung und der Kraft auf einen Crashtest-Dummy
Auf einen 80 kg schweren Fahrer wirkt eine Kraft von 17 kN! Das entspricht einer Gewichtskraft auf eine Masse von 1,7 Tonnen und führt zu schwersten Verletzungen. Deshalb wurde die Anschnallpflicht für Autofahrer eingeführt.
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