Telekolleg - Physik


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Physik - Mechanik Bewegung braucht Kraft

Ein Auto in der Kurve: Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit es nicht aus der Kurve getragen wird? Dies und viel mehr erfahren Sie in dieser Folge Telekolleg Mathematik. Im Quiz können Sie Ihr Wissen testen.

Stand: 08.09.2016

Rennwagen in Kurve | Bild: picture-alliance/dpa

Diese Sendung von Telekolleg-Physik beschäftigt sich mit dem Zusammenhang von Beschleunigung, beschleunigender Kraft und "träger" Masse des Gegenstands. Dieses zweite Gesetz von Newton nimmt eine herausragende Position in der Mechanik ein. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

Beschleunigende Kraft

Damit ein Auto eine Kurve fahren kann, müssen die Laufflächen der eingeschlagenen Räder genügend Kraft auf die Fahrbahn ausüben. Im Gegenzug übt die Fahrbahn eine Gegenkraft auf das Fahrzeug aus.

Beschleunigung erfordert Kraft

Noch deutlicher wird das Prinzip von Kraft und Gegenkraft beim Start eines 100-m-Läufers.

Unterseite des Startblocks mit Spikes

Wäre der Startblock nicht über Spikes gut an der Laufbahn befestigt, dann würde die Abstoßkraft des Läufers nach hinten verpuffen. Kraft und Gegenkraft sind betragsgleich und entgegengesetzt gerichtet.

Wechselwirkungsgesetz

Kraft und Gegenkraft sind betragsgleich und entgegengesetzt gerichtet.
Dieses "Wechselwirkungsgesetz" wurde von Newton als sein 3.Gesetz veröffentlicht; es ist heute unter dem Kürzel "actio (gegen-)gleich reactio" bekannt.

Modellrakete, angetrieben mit einer CO2-Patrone

Beim Start einer Modell-Rakete bewirkt der Ausstoß eines Kohlenstoffdioxid-Gases nach hinten eine Gegenkraft nach vorne; dies ist das Prinzip von Raketentriebwerken.

actio (gegen-)gleich reactio; die Klötze treffen sich in der Mitte

Bei einem anderen Experiment schwimmen ein Magnet und ein Eisenstab auf je einem Styroporklotz aufeinander zu und treffen sich in der Mitte. Zunächst übt nur der Magnet eine anziehende Kraft auf das Eisen aus, aber nach "actio (gegen-)gleich reactio" gibt es eine gleich große Kraft vom Eisen auf den Magneten.

Auffahrunfall: Kraft und Gegenkraft verformen die beteiligten PKW

Oder ein anderes Beispiel: Jemand zieht mit einer Schnur an einem Haken – dann übt der Haken eine gleich große Gegenkraft auf die Schnur aus.
Auch bei jedem Auffahrunfall treten jeweils Paare von Kräften auf, die die Frage nach dem jeweiligen Verursacher erschweren.

Kräftezerlegung

Zerlegung der Gewichtskraft G in zwei gleich große Komponenten

In einem Experiment wird eine Gewichtskraft durch zwei schräg nach oben wirkende Kräfte kompensiert. Nach der Regel der Addition zweier Kraftvektoren muss die Ersatzkraft der beiden nach oben ziehenden Kräfte F1 und F2 die Gegenkraft der Gewichtskraft G sein.

Kraftzerlegung bei kleinem Winkel

Bei kleinem Zwischenwinkel sind F1 und F2 nur wenig größer als die Hälfte von G.

Kraftzerlegung bei großem Winkel

Ist dagegen der Zwischenwinkel groß, dann sind F1 und F2 sehr groß, jede alleine viel größer als G.

Durchhängende Hochspannungsleitungen

Eine Anwendung findet man bei Hochspannungsleitungen: Die Haltekräfte der Seile können nicht unendlich groß sein. Deshalb wird ein Durchhang akzeptiert.

Schiefe Ebene

Schiefe Ebene: Zerlegung von G in die Normalkraft und die Hangabtriebskraft

Mit einer "Schiefen Ebene" bezeichnet man in der Physik eine Ebene, die unter einem Winkel gegen die Horizontale geneigt ist. Hier ist es sinnvoll die vertikale Gewichtskraft G in die Hangabtriebskraft FH parallel zur Ebene und in die Normalkraft FN senkrecht dazu zuzerlegen.

Experiment zur schiefen Ebene

Ein Experiment zeigt, dass diese Zerlegung eindeutige Werte für die Komponenten liefert. Werden Normalkraft und Hangabtriebskraft durch Gegenkräfte ausgeglichen, so kann die stützende schiefe Ebene entfernt werden.

Hangabtriebskraft und Normalkraft bei großem Winkel

Je größer der Neigungswinkel , desto kleiner wird die Normalkraft und desto größer die Hangabtriebskraft. Vergleichen Sie dazu neben stehendes Bild.

Die schiefe Ebene als Hilfsmittel (Hangabtrieb << G)

Im beruflichen Alltag ist eine Schiefe Ebene ist ein bewährtes Hilfsmittel, um schwere Gegenstände über eine Höhendifferenz zu transportieren.

Reibung

Messen der Reibungskraft

Grund für viele Abweichungen von den Newtonschen Gesetzen ist die unvermeidliche Reibung: Einen Klotz mit konstanter Geschwindigkeit zu ziehen würde ohne Reibung keine Kraft erfordern, mit Reibung ist die Zugkraft betragsgleich zur nach hinten gerichteten Reibungskraft.

Reibungskraft zwischen Berührflächen

Da die Reibungskraft proportional ist zur Kraft, mit der ein Gegenstand senkrecht auf die Unterlage aufdrückt, kann für je ein Paar von Materialflächen eine Reibungszahl μR definiert werden.

Reibung als nützliche Anfahrhilfe

Wenn ein Auto auf schneebedeckter Straße nicht wegfahren kann, dann wird ersichtlich, dass Reibung oft sehr nützlich ist. Hier kann z.B. mit Gummimatten unter den Antriebsrädern für die nötige Reibung gesorgt werden.

Vergleich von Haftreibung und Gleitreibung

Reibung tritt auch auf, wenn sich ein Körper noch gar nicht bewegt. Man spricht dann von Haftreibung. Die Haftreibungskraft ist größer als die Gleitreibungskraft, mit der ein Gegenstand anschließend mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden kann.

Kurvenkraft

Kurvenfahrt bei zu hoher Geschwindigkeit

Nun kann das einführende Beispiel der Sendung wieder aufgegriffen werden: Ein Auto kann eine Kurvenfahrt nicht aufrecht erhalten, wenn die zum Kreismittelpunkt gerichtete "Kurvenkraft" nicht groß genug ist. In diesem Fall rutscht das Auto tangential aus der Kreisbahn. Die Kurvenkraft ist zum Mittelpunkt des Kreises hin gerichtet, deshalb spricht man von einer Radialkraft FI.

Herleitung der Formel für die Radialkraft

Mit einem Spielzeug-Luftkissenboot wird im Studio eine Formel für die Radialkraft ermittelt. In mehreren Versuchsreihen wird die Masse m des Boots, der Bahnradius r oder die Winkelgeschwindigkeit ω variiert und dazu die Kraft FI gemessen, die nötig ist, um das Boot auf der Kreisbahn zu halten. Das Ergebnis lautet: FI ist proportional zum Radius, zur Masse und zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit.
Sehen Sie dazu folgende Bilder:

Test der maximalen Kurvengeschwindigkeit

Bei der Kreisfahrt eines Pkw wird die maximale Radialkraft durch die Haftkraft zwischen den Gummiflächen der Räder und dem Bodenbelag vorgegeben. Ebenso sind die Masse und der Radius eine feste Größe. Damit kann die maximale Winkelgeschwindigkeit und als Konsequenz die maximale Bahngeschwindigkeit ermittelt werden.

Testen Sie Ihr Wissen!

Skifahrer | Bild: colourbox.com zum Quiz Telekolleg Physik Quiz: Bewegung braucht Kraft

Kennen Sie sich aus mit Kurvenkraft, Kräftezerlegung und Schiefer Ebene? Zur Vertiefung des Gelernten bieten wir Ihnen die Möglichkeit, Ihr Wissen online und interaktiv zu testen. Überprüfen Sie Ihr Wissen! [mehr]


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