Trägheit und geradlinig gleichförmige Bewegung: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 31. März 2019, 08:13 Uhr

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

Beispiele

• 

  Wie kriegt man bloß den Ketchup aus der Flasche?

• 

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

• 

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

• 

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

Versuch: Die Ketchupflasche

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

• 

  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 ist vom Stiel gerutscht.

• 

  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: Rutschen, Rollen und ein Luftkissenfußball

Wir sitzen in einem Stuhlkreis.

Aufbau "Rutschen und Rollen"

Ein Holzklotz und ein Spielzeugauto wird "angeschubst".

Beobachtung

Das Spielzeugauto rollt viel weiter als der Holzklotz rutscht.

Erklärung

Der Klotz reibt ziemlich stark am Boden. Dadurch wird er gebremst und bleibt relativ schnell stehen. Die Räder des Autos sorgen dafür, dass nur eine geringe Reibungskraft bremst. Deswegen rollt es viel weiter.

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.

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.

Erklärung

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^[2], der Ball wird kaum gebremst. Wird er einmal angeschubst behält er seine Bewegungsrichtung und seine Geschwindigkeit bei.

Nur durch die Einwirkung einer Kraft beim Berühren mit der Hand oder dem Fuß kann man seine Bewegungsrichtung oder seine Geschwindigkeit ändern.

Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Axiom)

Veränderungsgesetz (2. Newtonsches Axiom)

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

• Video: "SLAMMD" (Space Linear Acceleration Mass Measurement Device) der ISS (youtube: "Kowch737"]
• 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)
• Video: "Mass And Weight" in der ISS (youtube: "Kowch737")
• Video: Mass Measurement in Space / Schwingungswaage (youtube: "Kowch737")
• Video: "Feather & Hammer Drop on Moon" (youtube: "nikzane")

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.
2. ↑ Weil der Ball sich durch die Luft bewegt, wird er von der Luft auch leicht gebremst, er hat einen "Luftwiderstand".