Trägheit und geradlinig gleichförmige Bewegung

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

Beispiele

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  Wie kriegt man bloß den Ketchup aus der Flasche?

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  Wenn da mal nichts runterfällt!
  (Video: Jetzt fliegt der Weihnachtsbaum)

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  In der Straßenbahn sollte man sich festhalten...
  (Videos: Wenn man im Zug hochspringt... oder im Bus (ab 11.55 min).)

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  Wo muss die Hammerwerferin loslassen? Videos: Weltrekordwurf von Youri Sedykh, Weltmeisterin Betty Heidler im Interview

Versuche zur Trägheit

Versuch: Die Ketchupflasche

Wie kriegt man den Ketchup aus der Flasche?

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  Aufbau 1: Zunächst die Standardmethode: Die Flasche steht Kopf und man schlägt auf den Flaschenboden.

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  Beobachtung: Der meiste Ketchup fließt raus, aber es bleibt noch ein Rest drin, der auch bei heftigem Draufschlagen nicht raus geht.

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  Aufbau 2: Die verschlossene Flasche wird waagrecht gehalten und man schlägt gegen den Deckel.

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  Beobachtung 2: Der Ketchup sammelt sich im Flaschenhals nahe des Deckels.

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  Jetzt kann man die Flasche öffnen und der Ketchup fließt raus.

Erklärung

Noch besser funktioniert das, wenn man die Flasche kopfüber hält und von unten gegen den Deckel schlägt. Dann kann die Gravitation noch unterstützen.

1) Bei einer relativ vollen Flasche fließt der Ketchup durch die Gravitation aus der Flasche heraus. Nur wenn der Ketchup zu zähflüssig ist, klebt er in der Flasche fest. Durch das Schlagen auf den Flaschenboden gerät der Ketchup in Bewegung und ist nicht mehr so zähflüssig. Jetzt kann er rausfließen.
2) Der restliche in der Flasche klebende Ketchup ist träge. Durch den Schlag auf den Deckel bewegt sich die Flasche nach links, aber der Ketchup bleibt stehen!

Versuch: Ein Autounfall

Aufbau

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

Beobachtung

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

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  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 das Auto durch den Aufprall gebremst, aber die Person nicht!

Versuch: Der lose Hammerkopf

Der Kopf eines Hammers ist lose und wackelt. Wie kann man ihn wieder fest auf den Stiel bekommen?

Aufbau

Man haut den Hammer mit dem Ende des Stiels fest gegen eine Wand oder den Boden.

Beobachtung

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  Der Hammerkopf ist vom Stiel gerutscht.

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  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.

Versuche zur geradlinig gleichförmigen Bewegung

Versuch: Rutschen, Rollen und ein Luftkissenfußball

Wir sitzen in einem Stuhlkreis.

Aufbau "Rutschen und Rollen"

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Ein Holzklotz und ein Spielzeugauto werden "angeschubst". Unter den Holzklotz werden Stangen gelegt.

Beobachtung

Das Spielzeugauto rollt viel weiter als der Holzklotz rutscht.

Erklärung

Zunächst ist der Klotz und das Auto in Ruhe. Beim "Anschubsen" übt man eine Kraft auf den Klotz oder das Auto aus, weswegen es schneller wird.
Der Klotz reibt ziemlich stark am Boden. Dadurch wird er gebremst und bleibt relativ schnell stehen. Die Stangen verringern diese Reibungskraft. Die Räder des Autos sind noch besser als die Stangen unter dem Klotz, sie sorgen dafür, dass nur eine geringe Reibungskraft bremst. Deswegen rollt das Auto viel weiter als der Klotz rutscht.

Aufbau "Luftkissenfußball"

a) Der Luftkissenfußball wird angeschaltet und zunächst nur auf den Boden gelegt.
b) Dann wird er einmalig angeschubst.
c) Schließlich spielen wir mit ihm in unserer Mitte.
d) Wir versuchen durch Drehen des Balles eine gekurvte Bahn des Balls zu erreichen.

Beobachtung

a) Der Ball fängt an sich langsam in eine Richtung zu bewegen.
b) Nach dem Anschubsen des Balles bewegt er sich nur in eine Richtung und er wird kaum langsamer. Manchmal dreht er sich zusätzlich noch, was aber seine geradlinige Bewegung nicht stört.
c) Wenn wir mit dem Fuß gegen den Ball schubsen, ändert er seine Bewegungsrichtung oder auch seine Geschwindigkeit.
d) Auch mit einer starken Rotation bewegt sich der Ball trotzdem noch ganz geradlinig.

Folgerung

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  Ausgeschaltet liegt der Ball auf dem Boden.

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  Durch die nach unten geblasene Luft hat der Ball keinen Kontakt zum Boden, er schwebt auf einem "Luftkissen".

a) Meistens ist der Boden eines Raumes nicht exakt eben und so fängt der Ball an sich nach unten zu bewegen.
b) Durch das Luftkissen ist die auf ihn wirkende Reibungskraft ist minimal, der Ball wird kaum gebremst. Wird er einmal angeschubst behält er seine Bewegungsrichtung und seine Geschwindigkeit bei.
c) macht Spaß :)
d) Die Drehung des Balles um die eigene Achse beeinflusst seine Bewegung durch den Raum nicht.

Nur durch die Einwirkung einer Kraft beim Berühren mit der Hand oder dem Fuß kann man seine Bewegungsrichtung oder seine Geschwindigkeit ändern.
Ohne eine Einwirkung bewegt sich der Ball immer geradlinig mit gleicher Geschwindigkeit.

Versuch: "Hammerwerfen"

Wie muss man auf den Luftkissenfußball einwirken, damit er sich im Kreis bewegt?

Aufbau

An dem Luftkissenfußball wird eine Schnur festgeklebt. Jemand nimmt das Ende der Schnur in die Hand und versucht den Ball auf eine Kreisbahn zu bringen.
Dann läßt sie die Schnur los.

Beobachtung

Während sich die Person in der Mitte um sich selbst dreht, zeigt die Schnur immer nach außen zum Ball.
Nach dem Loslassen bewegt sich der Ball in einer geraden Linie weiter (siehe Bild).

Folgerung

Um den Ball auf einer Kreisbahn zu halten, muss man immer an der Schnur ziehen und zwar senkrecht zur Bewegungsrichtung in das Zentrum der Kreisbewegung.
Ohne diese Kraft bewegt sich der Ball sofort wieder geradlinig weiter, tangential zur Kreisbahn.

Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Axiom)

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

Links

• Video: Maus Sachgeschichte: Trägheit (WDR, 1989)
• Video: Jetzt fliegt der Weihnachtsbaum youtube: von "ADAC"
• Video: Wenn man im Zug hochspringt... (WDR: Wissen macht Ah! "Was ist das Newtonsche Gesetz?")
• Video: Schwebende Gegenstände im bremsenden Bus... ab 11:55 min (ARD Kopfball, 07. Oktober 2012)