Aufgaben zur Impulsveränderung durch Kraft

Grundlagen

2. Newtonsches Gesetz

• Wie lautet das 2. Newtonsche Gesetz?
• Erläutere es auch an einem selbstgewählten Beispiel.

Das Wasserbehältermodell I

• In der Tabelle ist außer der ersten Spalte einiges durcheinandergeraten. Sortiere es wieder richtig.

Bewegung	Wasserbehälter
Impulsmenge	Grundfläche
Masse	Wassermenge
Geschwindigkeit	Abflussrate
Kraft	Zuflussrate
Reibungskraft	Wasserhöhe

Einheitenpuzzle und Sprachwirrwarr

Einige dieser Aussagen sind richtig. Einige nicht. Finde die richtigen!

Tipps:

• Impuls ist eine Menge von Bewegung: "viel Impuls", "wenig Impuls". Ersetze das Wort "Impuls" durch "Wassermenge".
• Kraft ist die Veränderung der Bewegungsmenge mit der Zeit: "große Kraft", "kleine Kraft". Ersetze das Wort "Kraft" durch "Zu-/Abfluss".

Der Impuls gibt die Bewegungsmenge an.	Der Impuls bestimmt die Kraft der Bewegung.
Der Impuls eines Körpers verändert sich nicht ohne eine Kraft.	Ein Körper verändert sich nicht ohne Impuls.
Beim Losfahren bekommt man Impuls.	Beim Losfahren bekommt man einen Impuls.
Das Auto fährt durch die große Kraft ruckartig los.	Das Auto fährt durch den großen Impuls ruckartig los.
Wenn das Auto anfährt, drückt es Peter nach vorn und gibt ihm Impuls.	Wenn das Auto fährt, erfährt Peters Körper seinen Impuls.
Eine Kraft führt Impuls zu und verändert die Impulsmenge.	Ein Impuls ist eine zugeführte Kraft, die Veränderung erbringt.
Peter kann mit einer großen Kraft drücken.	Peter hat viel Kraft.

Jemanden anschieben

Moritz wird von Karla wird auf einem Bürodrehstuhl angeschoben. Seine (träge) Masse beträgt 70kg und die des Stuhls 10kg. Dabei wird er 2 m/sec schnell.

• Wieviel Impuls steckt in Moritz und wieviel im Stuhl?
• Mit welcher mittleren Kraft schiebt Karla, wenn sie eine halbe (ganze) Sekunde lang geschoben hat?

Losfahren

Marlene beschleunigt auf ihrem Rad aus dem Stand 10 Sekunden lang mit einer mittleren Kraft von 30 Newton. Zusammen mit dem Rad hat sie eine (träge) Masse von 60kg.

• Wie schnell wird sie? (Gib das Ergebnis auch in km/h an.)

Roller fahren

Tina steht mit ihrem Roller auf einer ebenen Straße. Zusammen haben sie eine Masse von 50kg. Dann schubst sie sich zweimal von der Straße ab. Beim ersten Mal eine Sekunde lang mit einer Kraft von 100N, beim zweiten Mal eine halbe Sekunde lang mit einer Kraft von 60N. Dazwischen rollt sie für zwei Sekunden.

• Wieviel Impuls hat Tina nach dem ersten und nach dem zweiten Anschubsen und wie schnell ist sie jeweils? (Rechne ohne Reibung, also ohne Impulsverlust.)

Die gerade eben noch vernachlässigte Reibungskraft beträgt für Tina und ihren Roller konstant 10 Newton.

• Wie lange nach dem zweimaligen Anschubsen kann Tina noch rollen, bevor sie stehen bleibt?
• Wie könnte sie sich in regelmäßigen Abständen vom Boden abstoßen, um mit annähernd gleichbleibender Geschwindigkeit zu fahren?

Das Wasserbehältermodell II

Beschreibe jeweils die Situationen oder Abläufe, indem du passende Wasserbehältermodelle mit dem richtigen Zu- und Abfluß zeichnest.

• Paul und Pauline fahren Skatebord

Paul und Pauline stehen mit ihrem Skateboard auf der Straße. Beide stoßen sich für eine halbe Sekunde mit einer Kraft von 80 Newton vom Boden ab. Paul hat aber doppelt so viel Masse wie Pauline.

• Pauline und Antonia fahren zusammen Fahrrad

Beide haben in etwa die gleiche Masse und sind auch gleichschnell. Vor der Ampel kommt Pauline innerhalb von drei Sekunden zum Stehen. Antonia dagegen kann mit ihren besseren Bremsen sogar in anderthalb Sekunden anhalten.

• Pauline fährt Rad

Zuerst steht sie an der Ampel. Dann tritt sie mit einer gleichbleibenden Kraft in die Pedale, bis sie schließlich mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Nach einer Weile hört sie auf zu treten und läßt es gemütlich ausrollen.

Widerstände beim Radfahren

In diesem Widerstandsdiagramm ist die Reibungskraft F über die Geschwindigkeit aufgetragen. Die Reibungskraft setzt sich aus dem geschwindigkeitsunabhängigen Rollwiderstand und der Luftreibung zusammen.

Paula fährt auf ebener Strecke mit einer konstanten Geschwindigkeit von 6 m/s.

• Wie groß ist jetzt die Reibungskraft und wie groß die antreibende Kraft?

Danach tritt Paula so in die Pedale, dass die antreibende Kraft auf 40N ansteigt.

• Wie schnell wird sie jetzt?

Praktische Anwendungen

Die Weltraumwaage SLAMMD

Das "Space Linear Acceleration Mass Measurement Device", kurz SLAMMD bestimmt auf der ISS (International Space Station) die Masse von AstronautInnen durch eine lineare Beschleunigung. (Demovideo)

Bei einer Messung wurde die Person durch eine Kraft von 50 Newton in 1,2 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 0,8 Meter pro Sekunde beschleunigt.

• Wie groß ist deren (träge) Masse?

Der Anschnallgurt

Der Gurt verhindert bei einem Autounfall stärkere Verletzungen.

Wie groß sind wohl die Kräfte auf den Kopf der FahrerIn bei einem Aufprall mit 50 km/h auf ein festes Hindernis mit und ohne Gurt?

Mit Hilfe dieses Videos vom TCS wurde die Zeitdauer des Abremsens des Kopfes mit und ohne Gurt abgeschätzt. In den Zeitlupenaufnahmen wurden ca. 500 Bilder pro Sekunde aufgenommen, also alle 2 msec ein Bild gemacht.

Abremsen durch Aufprall auf Frontscheibe und Lenkrad: ca. 6 msec

Abremsen durch den Gurt: ca. 44 msec

Ein menschlicher Kopf hat eine Masse von ca. 3-4kg ([1], [2]).

• Berechne die wirkenden Kräfte beim Abbremsen und vergleiche sie mit der Gewichtskraft des Kopfes.

Weihnachtsbaumtransport

In diesem Video des ADAC wurde der Transport eines Weihnachtsbaumes auf dem Autodach untersucht.

Zitat: "Eine mannshohe Tanne bringt um die 30kg auf die Waage. Bei einem Aufprall mit 50km/h zerren in diesem Fall 750kg am Dachträger."

• Wie ist das zu verstehen, dass die Masse der Tanne auf einmal viel größer ist? Sind da ein paar Äste gewachsen?

• In welcher Zeitspanne wird die Tanne abgebremst? (Berechne dazu zuerst den Impuls der Tanne und wie stark die Spanngurte an der Tanne ziehen.)