Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft (Klasse 7)

(Newtonsche Mechanik > Energie)

Ein Fahrrad beschleunigt

Ein Fahrrad wird durch eine konstante Kraft aus dem Stand von 40 Newton eine Zeit von 5 Sekunden auf einer Strecke von 7,5 Metern beschleunigt.

• Wieviel Energie steckt nach der Beschleunigung im Rad mit seiner FahrerIn?

Die gleiche Kraft wirkt weitere 5 Sekunden, diesmal auf einer Länge von 22,5 Metern.

• Warum ist diesmal die Strecke viel länger?
• Wieviel Energie ist in den zweiten 5 Sekunden dazugekommen und wieviel steckt insgesamt in Rad mit FahrerIn?

Das Zahnrad an der Kurbel ("Kettenblatt") hat 52 Zähne, das hintere ("Ritzel") nur 13. Der Radius des Rades beträgt ungefähr das Doppelte der Kurbellänge. Damit ist die Übersetzung der Gangschaltung 1:4, insgesamt beträgt die Übersetzung von der Kurbel auf das Rad 1:8. Dreht man also die Kurbel um einen Zentimeter, so bewegt sich der äußere Rand des Rades und somit das Fahrrad um 8 Zentimeter.

• Wie groß war die Kraft, mit der die RadlerIn in die Pedale getreten hat?
• Warum ist es unrealistisch anzunehmen, dass die Kraft konstant ist?

Zange

Bei einer Kneifzange ist die Schneide ca. 1,5 cm vom Gelenk entfernt und der Griff ca. 9cm. Um einen Draht durchzuschneiden ist am Griff eine Kraft von 75 Newton nötig.

• Wohin geht die zum Herunterdrücken benötigte Energie?
• Mit welcher Kraft drückt die Schneide auf den Draht?
• Was für einen Vorteil bietet es den Draht möglichst weit in die Schneide hineinzuschieben und den Griff möglichst weit Außen zu Fassen?

Nach Oben

Schauinsland bei Freiburg

Um auf den Schauinsland zu kommen, muss man ca. 1000 Höhenmeter überwinden. Wieviel Energie ist wohl dazu nötig?

• Bestimme zunächst die Energie, die man braucht, um ein 5kg-Gewicht auf einen 1,5m hohen Tisch zu heben.

Es ist tatsächlich für die Betrachtung egal, ob man einen steilen Pfad nach oben klettert oder auf der gut ausgebauten Straße läuft.

• Wie kann man das mit Hilfe der wirkenden Kräfte und dem zurückgelegten Weg erklären?
• Bestimme nun die Energiemenge, die du benötigst, um auf den Schauinsland zu kommen.

Laufen

Beim Laufen ist auch deswegen Energie nötig, weil man sich bei jedem Schritt leicht anhebt. Laufe an der Tafel mit einer Kreide entlang und entnehme der daraus entstandenen Linie, um welche Höhe du dich bei jedem Schritt anhebst. Wieviel Energie ist dafür bei jedem Schritt zum Anheben des Körpers nötig? Wo steckt die Energie, wenn du nach dem Schritt wieder nach unten gekommen bist? Wie weit kannst du nach dieser Rechnung mit der Energie einer Tafel Schokolade von ca. 2000 KiloJoule laufen? Der Körper kann allerdings nur ca. 1/4 der Energie auch auf die Bewegung umladen!

Étienne-Jules Marey: Gehender Mann ein Gewicht tragend, 1885

Laufen (2), 1883