Kraft verändert den Impuls: dynamisches Messen einer Kraft

Versuch: Ein Airbag

Aufbau

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

Beobachtung

• 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")

Freier Fall

• Freier Fall im Windkanal (focus.de)
• ZDF - Fliegen im freien Fall Fallschirmspringen

Resultat

Überall gilt:

• Wo gedrückt oder gezogen wird, ändert sich der Impuls.
• Wo sich der Impuls ändert, wird gedrückt oder gezogen.
• Für eine Impulsänderung kann man entweder eine kurze Zeitspanne stark drücken oder eine lange Zeitdauer nur leicht drücken.
• Je schneller die Impulsänderung vor sich geht, desto fester wurde gedrückt.

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

• Experiment mit dem Bürostuhl

• Antwort: Man muss möglichst lange und möglichst fest drücken! Also mit einer möglichst große Kraft eine möglichst lange Zeitdauer drücken.

• Jetzt kann man noch messen, z.B. mit einem sich beschleunigenden Wagen auf einer Schiene:
  • 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

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]

• 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.

Eine Veränderung des Bewegungszustandes durch eine Kraft. Der Wagen wird langsamer.

Drückt oder zieht man mit einer Kraft [math]\vec F[/math] an einem Gegenstand, 
so wird die Richtung oder die Menge des Impulses [math]\vec p[/math] verändert.

Dreht man mit einem Drehmoment [math]\vec M[/math] ("Drehkraft") an einem Gegenstand, 
so wird die Richtung oder die Menge des Drehimpulses [math]\vec L[/math] verändert.

Änderung des Bewegungszustandes (2. Newtonsches Axiom)

Eine Veränderung des Bewegungszustandes durch eine Kraft. Der Wagen wird langsamer.

• Eine Kraft kann den Bewegungszustand verändern und wenn der Bewegungszustand sich verändert muss eine Kraft wirken.

Die Kraft ist die zeitliche Änderungsrate des Impulses und gibt an, 
wieviel Impuls in einen Körper pro Zeit hinein oder herausfließt.
[math]\vec F = \dot \vec  p \approx \frac{\triangle \vec p}{\triangle t}[/math] ("Impulsstromstärke") 
Wenn die Masse des Körpers sich nicht verändert, gilt: 
[math]\vec F = m\, \dot\vec v  = m \,\vec a \approx m \, \frac{\triangle \vec v}{\triangle t}[/math]        [math][\vec F] = \mathrm{1N = \frac{1Hy}{1s} = \frac{1kg \,m}{s^2} }[/math]

• Wirkt eine Kraft von 3N auf einen Körper, so fließen pro Sekunde 3Hy Impuls hinein.
• Eine Kraft mit der Stärke 10N beschleunigt einen Körper der Masse 5kg in einer Sekunde um 2m/s.

Definition der Kraft

Wie fest drückt man, wenn man mit einem Newton drückt?

Masse schon festgelegt. Zeit ebenso und die Strecke.

Links

• Maßkrug als Schlagwerzeug (Institut für Rechtsmedizin Universitätsklinikum Jena, J. Adamec, M. Muggentaler, E. Schuller, M. Graw)