Physik, 1. Trimester - Mechanik, Folge 1
Die erste Sendung von Telekolleg-Physik beschäftigt sich mit Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit, sogenannten gleichförmigen Bahnbewegungen und Kreisbewegungen. Dazu werden bei verschiedenen Arten von Bewegungen einfache Zusammenhänge zwischen Weg und Zeit gesucht. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
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1977 starteten zwei Voyager-Sonden
eine Reise durch unser Planetensystem und später weiter ins
Universum. Schon zwei Jahre später haben uns die Kameras
fantastische Bilder vom Jupiter
gesendet. Auch vom Saturn
haben uns weitere Jahre später beeindruckende Bilder erreicht,
die genauen Aufschluß über den Aufbau des Ringsystems geben.
Weiter ging die Reise zum Uranus,
bei dem 15 Monde gezählt wurden. Zuletzt erhielten wir nach 12
Jahren Reisezeit noch Bilder vom Neptun.
Die mittlere Dauer eines Tages stellt ein sehr natürliches
Zeitmaß dar. Eingeteilt in 24 Stunden mit je 60 Minuten, diese
wiederum zu je 60 Sekunden, ergibt sich für die Dauer einer
Sekunde: 1 s = 1 Tag : 86400. Die ersten Uhren waren Sonnenuhren.
Später folgten Wasseruhren und Sanduhren. Die ersten
mechanischen Räderuhren
waren noch sehr ungenau, dies änderte sich mit der Erfindung des
Pendelwerks. Heute definieren wir die Zeit mit der höchst
präzisen Atomuhr.
Ähnlich entwickelte sich die Längenmessung. Frühere Einheiten
wie Elle und Fuß
waren nicht einheitlich festgelegt. Nach der internationalen
Festlegung des Meters als 40-millionster Teil eines Erdumfangs
war es lange ausreichend in Paris einen "Urmeter" aus
einer Platin-Iridium-Legierung aufzubewahren, von dem sich alle
Kopien ableiten mussten. Mit der verbesserten Definition der
Sekunde musste auch die Einheit 1 Meter präziser festgelegt
werden: Die Basiseinheit 1 Meter ist die Länge der Strecke, die
Licht im Vakuum
während der Dauer von 1 / 299792458 Sekunden durchläuft.
Ein mit hoher Geschwindigkeit fahrender ICE-Zug
passiert nach je drei Sekunden vier Abstände zwischen zwei
Hochspannungsstangen zu je 50 m. Damit ist klar, dass seine
Geschwindigkeit konstant ist. Sie lässt sich als Quotient aus
Wegstrecke und zugehöriger Zeitdauer berechnen. Zur Umrechnung
zwischen den wichtigen Geschwindigkeitseinheiten m/s und km/h
muss man sich den Faktor 3,6 merken: 1 km/h = 1000 m : 3600 s =
(1 : 3,6) m/s.
Im Studio wird mit einer Spielzeugeisenbahn auf einer langen
geraden Strecke experimentiert. Bewegungen lassen sich besonders
gut analysieren, wenn ein Zeit-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden
kann. Beim einfachsten Fall einer gleichförmigen Bewegung
ergibt sich eine Ursprungsgerade. Die konstante Steigung der Zeit-Weg-Kurve
drückt genau die konstante Geschwindigkeit aus, bei größerer
Geschwindigkeit ist die Kurve steiler. Nicht jede Bewegung ist
gleichförmig. Bei einer anderen Art von Bewegung startet der Zug
aus der Ruhe und beschleunigt dann immer mehr. In gleichen
Zeitabschnitten werden die zugehörigen Wegstrecken immer
länger; die zunehmend steileren Steigungen der einzelner
Geradenstücke zeigen die wachsende Durchschnittsgeschwindigkeit.
Bei immer kürzeren Messabschnitten ergibt sich eine immer
glattere, nach oben gebogene Kurve. Bei sehr kurzen
Zeitabschnitten drückt die wachsende Steigung näherungsweise
die anwachsende Momentangeschwindigkeit
aus.
Bei einem Gewitter sehen wir das Licht eines Blitzes
praktisch sofort, weil die Lichtgeschwindigkeit so groß ist. Der
Donner dagegen breitet sich "nur" mit
Schallgeschwindigkeit aus, 340 m/s. Die Blitzregel lautet: pro 3
Sekunden ist das Gewitter 1 km entfernt.
Die Laufzeit von Schall wird auch beim Echolot
genutzt. Ein Schiff sendet Schallsignale zum Grund des
Gewässers. Dort werden sie reflektiert und dann wieder vom
Schiff empfangen. Die Zeitdifferenz ist ein Maß für die Tiefe.
Bei der Formel s = v
t muss allerdings beachtet werden, dass
die Schallgeschwindigkeit in Wasser viel größer ist als die in
Luft (1500 m/s) und dass die Wassertiefe nur die halbe Wegstrecke
beträgt. Auch eine Fledermaus nutzt eine Art Echolot zum Jagen.
Sie sendet kurze Schreie mit hochfrequentem, sogenanntem Ultraschall
aus. Dieser kann von Menschen nicht mehr gehört werden. Die
Laufzeiten der reflektierten Signale von Insekten ermöglichen
eine sichere Jagd bei völliger Dunkelheit.
Ein Fahrradtacho registriert die Umdrehungen des Vorderrads
mit einem Magnetsensor
und errechnet aus der Zeit für eine Umdrehung (Umlaufszeit T)
die Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der Lauffläche des
Rades ergibt sich als Quotient von Reifenumfang und Umlaufszeit.
Als weiteres Anwendungsbeispiel wird die Bewegung eines Fernsehsatelliten
betrachtet. Diese umkreisen die Erde in einem Abstand von 36 000
km auf einer sogenannten geostationären Bahn. Es scheint nur so,
als wäre der Satellit fest über einem festen Punkt des
Äquators verankert, tatsächlich stimmt seine Umlaufszeit exakt
mit der täglichen Rotation der Erde überein.
Bei einem Kinderkarussell
stellt sich die Frage: Bewegen sich alle Pferde und die anderen
Objekte gleich schnell? Mit diesem Beispiel wird die
Winkelgeschwindigkeit als Quotient von Drehwinkel und Zeitdauer
eingeführt. Damit lässt sich zeigen, dass die
Bahngeschwindigkeit bei konstanter Winkelgeschwindigkeit
mit dem Radius anwächst.