Trägheit und geradlinig gleichförmige Bewegung

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(Physik Sekundarstufe I > Kraft und Bewegung ("Dynamik"))

Beispiele

Versuch: Die Ketchupflasche

Versuch: Ein Autounfall

Aufbau
Trägheit Auto Hand.jpg

Eine Person steht auf einem Auto.
a) Das Auto fährt los (wird mit der Hand angeschubst).
b) Das Auto fährt gegen ein Hindernis.

Beobachtung

  • a) Schubst man zu stark an, so fährt die Person nicht mit, sondern fällt nach hinten vom Auto herunter.

  • b) Beim Aufprall an der Wand fällt die Person nach vorne vom Auto.

Interpretation

Die Person ist träge. Der Motor schiebt beim Losfahren das Auto nach vorne. Ist die Person nicht fest genug mit dem Auto verbunden, bleibt sie einfach stehen und das Auto fährt unter ihr weg.
Beim Aufprall an der Wand wird von Außen betrachtet[1] das Auto durch den Aufprall gebremst, aber die Person nicht!

Versuch: Der lose Hammerkopf

Aufbau

Der Kopf eines Hammers ist lose und wackelt. Wie kann man ihn wieder fest auf den Stiel bekommen? Man haut den Hammer mit dem Ende des Stiels fest gegen eine Wand oder den Boden.

Beobachtung

Der Hammerkopf sitzt wieder fest am Stiel!

Erklärung

Der Hammerkopf ist träge. Zunächst bewegen sich der Kopf und der Stiel gemeinsam auf die Wand zu, dann wird durch den Aufprall der Stiel gebremst. Der Kopf bewegt sich aber weiter und verkeilt sich mit dem Stiel bis der Kopf durch den Stiel gebremst wird.

Versuch: Schuhe ausklopfen

Versuch: Eine Waage für den Weltraum

Waage weltraum.jpg

Im Weltraum funktionieren die meisten "normalen" Waagen nicht mehr. Aber trotzdem kann man sich auch dort wiegen!

Der Sitz dieser "Weltraumwaage" ist zwischen zwei Federn gespannt und kann so frei schwingen.

  • Erläutern Sie, warum man mit dieser Waage die (träge) Masse der Astronautin bestimmen kann.
Aufbau
  • Bürostuhl anschieben und abbremsen (Auto anschieben und abbremsen)
  • Wagen mit Feder auf Schiene
(Ein Video mit einer ähnlichen "body mass measurement device" der NASA findet sich hier.)

Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Axiom)

Ohne Wechselwirkung mit einem anderen Gegenstand bleibt ein Körper in Ruhe
oder er behält seine geradlinige Bewegung bei.

Veränderungsgesetz (2. Newtonsches Axiom)

Durch Drücken oder Ziehen an einem Gegenstand kann man seine Bewegung verändern.
Drückt oder zieht man gegen die Fahrtrichtung, so bremst man.
Beim Drücken oder Ziehen in Fahrtrichtung wird der Gegenstand beschleunigt und
beim Drücken oder Ziehen quer zur Fahrtrichtung die Richtung geändert.

Muss man zur Änderung der Bewegung "sehr stark" Drücken oder Ziehen, so hat der Gegenstand eine große träge Masse.

Definition der Masse

Die Kopie "K4" des Standardkilogramms ist eine Kopie für die USA und wird im National Institute of Standards and Technology aufbewahrt.
  • Um die Masse von 1kg festzulegen, wurde 1878 in Frankreich ein Gegenstand angefertigt, der definitionsgemäß die Masse von 1kg hat: Das Standard- oder Ur-Kilogramm.
Es ist ein Platin-Iridium-Zylinder von 39 Millimeter Höhe und 39 Millimeter Durchmesser und wird im Bureau International des Poids et Measures (BIPM) in Sèvres aufbewahrt. Von diesem Standard-Kilogramm wurden Kopien hergestellt und in viele Länder der Welt gebracht. Die deutsche Kopie hütet die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig.
  • Wie wird danach verglichen?
Man könnte nun einen Testgegenstand mit dem Standardkilogramm vergleichen, indem man beide schüttelt oder bremst oder beschleunigt, also auf gleiche Trägheit untersucht. Reagieren beide gleich, so haben auch beide eine Masse von 1kg.
Das wird aber so in der Praxis nicht gemacht. Man vergleicht die Testmasse und das Standardkilogramm, indem man sie auf eine Balkenwaage legt und auf die gleiche Erdanziehung prüft. Es wird also gar nicht die Eigenschaft der Trägheit verglichen, sondern die der Schwere.
Bisher hat man aber auch bei genauesten Messungen noch keine zwei Gegenstände finden können, die in ihrer Schwere übereinstimmen und nicht in ihrer Trägheit. Man nennt das auch Äquivalenz von träger und schwerer Masse.
  • Auf der Suche nach einer besseren Definition
Was ist ein Kilogramm? (ntv-Mediathek)
Das rundeste Objekt der Welt! (mit deutschen Untertiteln)
World's Roundest Object! (Veritasium)


Links

Fußnoten

  1. ↑ Aus Sicht der AutofahrerIn wird die Ladung beim Unfall nach vorne gezogen. Diese andere Sichtweise ist ebenso möglich. Zunächst ist es für uns einfacher den Unfall von Außen zu beschreiben. Zum Wechsel von Bezugssystemen kann man sich mit dem Arbeitsplan oder hier informieren.
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