Kraft verändert den Impuls: dynamisches Messen einer Kraft: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 10. Februar 2023, 10:53 Uhr

(Klassische Mechanik > Kräfte ändern den Impuls)

Beispiele

• 

  Kugelstoßen: und weg...

• 

  mit der Kugel!

• 

  Bilder und Videos zum Golfschlag

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  Schuss!

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  kurz vor dem Schlag^[1]

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  während des Schlags^[1]

• 

  ein Fußball trifft eine Wand (Daniel Price, Loughborough University)

• 

  Video eines Motorradairbags. Video das einen Vergleich mit und ohne Airbag zeigt.

• 

  Video: Crashtest Trabant

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• 

  Wenn der Wasserstrahl den Menschen trifft...

• 

  Video: "JetLev" Video: Remake of Flyboard

• 

  Animation der Luftbewegung an einem Tragflügel

• 

  Pelton-Turbine aus dem Walchenseekraftwerk

• 

  Video einer selbstgebastelten Pelton-Turbine.)

Ein Airbag

Aufbau

Ein Auto oder Motorrad fährt ohne oder mit airbag gegen ein Hindernis.

Beobachtung

Beim Aufprall des Kopfs auf das Fahrzeug wird der Kopf ruckartig abgebremst. Dabei würde ein Motorradfahrer ernste Verletzungen erleiden. Der Airbag bremst den Kopf sanfter ab und der Fahrer bleibt unverletzt.

Auf dem rollenden Bürostuhl

• Wie bekommt man in den Menschen auf dem Bürostuhl möglichst viel Impuls hinein?

Bälle werfen und fangen

• Was muss man tun um einem Ball möglichst viel Impuls mitzugeben?
• Wie kann man einen Ball "sanft" fangen?

Resultat

• Drückt oder zieht man an einem beweglichen Gegenstand, so ändert sich sein Impuls.
  • Je länger und je stärker man drückt, desto stärker ändert sich der Impuls!
  • Für eine bestimmte Impulsänderung kann man entweder eine kurze Zeitspanne stark drücken oder eine lange Zeitdauer nur leicht drücken.

• Ändert sich der Impuls eines Gegenstandes, so wird daran gedrückt oder gezogen.
  • Umso mehr sich der Impuls geändert hat, desto stärker oder länger wurde gedrückt.
  • Je schneller die Impulsänderung vor sich ging, desto fester wurde gedrückt.

Messung der Impulsänderung mit einer Fahrbahn

Wir wissen schon, dass man mit einer Kraft die Bewegung verändern kann. In diesem Versuch soll der Vorgang des "Anschubsens" genauer untersucht werden.

Versuchsaufbau

Ein kleiner Zug mit mehr oder weniger einzelnen Wagons steht auf einer Fahrbahn. Mit einem Faden über eine Umlenkrolle ziehen kleine Gewichte an dem Wagen. Nach einer Sekunde wird der Faden festgehalten. Danach wird daher nicht mehr am Wagen gezogen.

Animation der Fahrbahn

Am roten Schieberegler kann man durch die Anzahl der Gewichte die beschleunigende Kraft in Newton einstellen. Am grünen Schieberegler kann man durch die Anzahl der Wagons die beschleunigte Masse in kg einstellen.

1) Lasse Behältermodell und die Diagramme noch ausgeschaltet.

Wie kannst du es erreichen, dass der Zug eine große (kleine) Geschwindigkeit erhält?

(Wenn die Bewegung zu schnell abläuft, kannst du sie in Zeitlupe anschauen.)

2) Schalte dann das Behältermodell an.

a) Verändere die beschleunigende Kraft durch mehr oder weniger Gewichte und lasse die Masse des Wagens unverändert.

Wie wirken sich unterschiedliche Kräfte aus?

b) Verändere die Masse des Zuges durch mehr oder weniger angehängte Wagons und lasse die beschleunigende Kraft unverändert.

Welche Auswirkung haben unterschiedliche Massen?

3) Schalte die Diagramme hinzu.

a) Wie wirken sich unterschiedliche Kräfte bei gleicher Masse aus?

b) Welche Auswirkung haben unterschiedliche Massen bei gleicher Kraft?

(Zur Datei und zum Programm)

Beobachtung

Einen ähnlichen Versuch zeigt die ETH Zürich als Video.

Ergebnisse

Durch das "Anschubsen" wird wie erwartet der Impuls des Wagens größer. Wird an dem Wagen nicht mehr gezogen, so behält er seinen Impuls bei.

Wird am Wagen mit einer konstanten Kraft gezogen, so verändert sich der Impuls gleichmäßig. Für die Änderung der Bewegung spielt es also keine Rolle, ob der Wagen sich schon bewegt oder ruht. Der Impuls eines langsamen Wagens ändert sich genauso wie bei einem schnellen Wagen.

Beim "Anschubsen" des Wagens kommt es darauf an, wie fest und wie lange man zieht. Je größer die Kraft und je länger die Zeitdauer, desto stärker ändert sich der Impuls.

Die Impulsänderung hängt nicht von der Masse ab. Bei einer bestimmten Kraft ändert sich der Impuls immer gleichschnell, egal welche Masse der Wagen hat. Bei einer kleineren Masse nimmt daher die Geschwindigkeit des Wagens viel schneller zu.

Definition der Krafteinheit Newton

Man kann die Stärke einer Kraft durch die Verlängerung einer Feder messen. Aber wie fest drückt man, wenn man mit einem Newton drückt?

Man legt die Krafteinheit anhand der Impulsveränderung fest:

Veränderungsgesetz (2. Newtonsches Gesetz)

Drückt oder zieht man mit der mittleren Kraft [math]\bar F[/math] während einer Zeitspanne [math]\triangle t[/math] an einem Gegenstand in oder gegen die Bewegungsrichtung, so ändert sich sein Impuls um den Betrag: [math]\triangle p = \bar F\ \triangle t \qquad \qquad \left(1\,\rm Hy = 1\,\rm N\, s \right)[/math] Verändert sich während der Zeitspanne [math]\triangle t[/math] der Impuls eines Gegenstandes um den Betrag [math]\triangle p[/math], so hat die mittlere Kraft [math]\bar F[/math] gewirkt: [math] \bar F = \frac{\triangle p}{\triangle t} \qquad \qquad \left(1\,\rm N = \frac{1\,\rm Hy}{1\,\rm s} \right)[/math]

Eine Veränderung der Bewegungsmenge durch eine Kraft. Der Wagen wird langsamer.

• Wirkt auf einen Körper 3 Sekunden lang eine Kraft von 5 Newton, so verändert sich sein Impuls um 15 Huygens.
• Sinkt innerhalb von 2 Sekunden der Impuls von 22 Huygens auf 10 Huygens, so hat die mittlere Kraft von 6 Newton gegen die Bewegungsrichtung gewirkt.

Das 2. Newtonsche Gesetz im Wasserbehältermodell

Links

• Simulation von Drücken an verschiedenen Gegenständen auf Eis oder rauhem Untergrund. Auch mit einem kleinen Spiel. Link zur deutschen Übersetzung in der Liste! (Forces and Motion; Interactive Science Simulations der University of Colorado Boulder)
• Video eines Motorradairbags. (Youtube: "ADAC Crashtest: Motorrad Airbag in slow motion" von "adac")
  • Video das einen Vergleich mit und ohne Airbag zeigt. (youtube: "Demo Car Crash With and Without Airbags" von "beltsandbags")
• Maßkrug als Schlagwerkzeug (Institut für Rechtsmedizin Universitätsklinikum Jena, J. Adamec, M. Muggentaler, E. Schuller, M. Graw)
• Video: Bewegung einer Dampflok im Wasserbehältermodell (mit Impulsströmen, von Werner Maurer: "Kraft, Impuls und Kinematik ")

• Wikipedia:Tischtennisball Geschwindigkeit, Masse und Länge des Aufpralls

• Unterrichtsgang Dynamik (Materialiensammlung des Lehrerfortbildungsservers Baden-Württemberg)

Fußnoten

1. ↑ ^{1,0 1,1} Foto mit freundlicher Genehmigung von Andrew Davidhazy