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

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Version vom 14. November 2014, 21:29 Uhr

Beispiele

Ein Airbag

Aufbau

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

Beobachtung

Auf dem Bürostuhl

  • Leitende Frage: Wie bekommt man in einen ruhenden Gegenstand Impuls hinein?

Bälle werfen und fangen

Resultat

  • Wo gedrückt oder gezogen wird, ändert sich der 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.
  • Wo sich der Impuls ändert, wird gedrückt oder gezogen.
    • Umso mehr sich der Impuls geändert hat, desto stärker wurde gedrückt.
    • Je schneller die Impulsänderung vor sich ging, desto fester wurde gedrückt.

Messung der Impulsänderung

Wagen auf Schiene; Kraft entweder durch Gewicht und Umlenkrolle oder durch Neigung.

  • Zieht man doppelt so stark, so ist die Impulszunahme doppelt so groß:
  • Zieht man doppelt so lange, so ist die Impulszunahme doppelt so groß:
  • Man hat daher [math]\triangle p \sim F[/math] und [math]\triangle p \sim \triangle t[/math]

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:

Drückt man mit einer Kraft der Stärke von einem Newton an einem Gegenstand,
so verändert sich sein Impuls in einer Sekunde um einen Huygens.

[math]\rm 1 N = \frac{1\, Hy}{1\, s} = \frac{1\, kg\, m/s}{1\, s} = 1\, kg\, \frac{ m}{ s^2} \qquad \Leftrightarrow \qquad 1\, Hy = 1\, N\, s[/math]

Drückt man mit einer Kraft der Stärke von einem Newton an einem Gegenstand mit der Masse 1 kg,
so verändert sich seine Geschwindigkeit in einer Sekunde um einen Meter pro Sekunde.

Veränderungsgesetz (2. Newtonsches Axiom)

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[/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}[/math]
Eine Veränderung des Bewegungszustandes 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

  • Bewegung Wassermodell Skaterin.png
  • Bewegung Wassermodell Skaterin Behälter.png
Bewegung Behältermodell
Impulsmenge (in Huygens) Wassermenge (in ml)
Masse (in kg) Grundfläche (in cm2 )
Geschwindigkeit (in m/s) Wasserhöhe (in cm)
Kraft (in Newton) Zuflussrate (in ml/s)
Reibungskraft (in Newton) Abflussrate (in ml/s)

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 ")
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