Physik, 1. Trimester - Mechanik, Folge 6
Diese Sendung von Telekolleg-Physik beschäftigt sich mit dem Zusammenhang von Beschleunigung, beschleunigender Kraft und der "trägen" Masse eines Gegenstands. Dieses zweite Gesetz von Newton nimmt eine herausragende Position in der Mechanik ein. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
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Beim Start eines Flugzeugs
erfährt ein Passagier deutlich die physikalischen Größen, die
in dieser Sendung eine Rolle spielen: Zum einen die
beschleunigende Kraft, die sie oder ihn in den Sitz drückt;
ferner die Rollgeräusche, die das Gefühl für die große
Beschleunigung übermitteln, und schließlich beim Erreichen der
Take-off-Geschwindigkeit die Beruhigung, dass es wieder einmal
gelungen ist, die gewaltige Flugzeugmasse zum Fliegen zu bringen.
Bei einem Segelflugzeug
wird die beschleunigende Kraft von außen über ein Zugseil
wirksam. Am Ende der Startbahn befindet sich ein Fahrzeug mit
einer starken Motorwinde. Damit wird das Segelflugzeug
beschleunigt und in eine große Starthöhe gezogen.
Auch die Gewichtskraft verursacht eine Beschleunigung, die
Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2. Im Weltall
wird die Gewichtskraft nicht gespürt, deshalb bleiben hier alle
Gegenstände freischwebend in Ruhe oder sie bewegen sich mit
konstanter Geschwindigkeit, solange keine beschleunigende Kraft
auf sie einwirkt. Zur Demonstration des Trägheitsprinzips wurde
in eine Straßenbahn eine gerade Strecke einer Spielzeugeisenbahn
eingebaut. Sobald die Straßenbahn abbremst, setzen sich aus
Sicht der Passagiere die Wagons der Spielbahn
nach vorne in Bewegung, weil sie ohne besondere Reibung auf ihren
Spielzeugschienen stehen. Eine Beobachtung von einer
Außenposition entlarvt diese scheinbare Beschleunigung als
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit.
Ein ähnliches Phänomen tritt bei Kurvenfahrten auf: Eine Kugel
liegt unbefestigt auf der Ladefläche eines Wagons
hinter einer Spielzeuglokomotive. Sobald die Schienen eine Kurve
machen rollt die Kugel vom Wagen. Aber auch hier wirkt keine
äußere Kraft! Im Gegenteil, weil keine Kraft wirkt, behält die
Kugel ihre ursprüngliche
Bewegungsrichtung bei. Ein Trick
zum Phänomen Trägheit: Mit einem Ruck wird ein Blatt Papier
unter einem Gefäß weggezogen, ohne dass etwas verschüttet
wird. Dieses Schulexperiment war Vorbild einer Wette in einer Fernsehsendung:
Die Tischdecke einer sehr langen Hochzeitstafel wurde mit einem
Pkw so schnell weggezogen, dass (fast) alles Geschirr heil blieb.
Ein Kraftmesser
besteht aus einer Schraubenfeder, an der eine Skala befestigt
ist. Die Dehnung der Feder ist ein direktes Maß für die
wirkende Kraft in der Einheit Newton.
Damit lassen sich Kräfte messen, die beim Beschleunigen oder
Abbremsen in Fahrzeugen auftreten. In einem Bus müssen sich
stehende Passagiere
mit einer bestimmten Kraft festhalten, damit sie bei Haltestellen
nicht nach vorne fallen. Auch beim schnellen Anfahren werden
Kräfte spürbar.
Ein Wagon der Spielzeugeisenbahn wird mit einem Propeller-Antrieb
versehen, der für eine konstante beschleunigende Kraft sorgt. Um
den Zusammenhang zwischen Masse und Beschleunigung zu ermitteln,
werden unterschiedliche Massenstücke aufgelegt und anschließend
wird jeweils die Beschleunigung gemessen: Bei doppelter Masse
halbiert sich die Beschleunigung
- a ist indirekt proportional zu m. In einer
zweiten Versuchsreihe wird die Masse konstant gehalten und die
Beschleunigung für verschiedene Kräfte gemessen: Bei doppelter
Kraft verdoppelt sich auch die Beschleunigung - a ist
proportional zu F. Insgesamt ergibt sich das Kraftgesetz: F
= m
a.
Nach der internationalen Festlegung der Einheiten ist das
Kilogramm eine Grundgröße, ebenso wie Meter und Sekunde. Die
Einheiten für Beschleunigung und für Kraft sind daraus
abgeleitet. Gegenstände der Masse 1 kg haben je nach Material
ganz unterschiedliche Größe.
In einem Institut bei Paris wird das Normkilogramm
aufbewahrt. Auf jede Masse wirkt die Gewichtskraft
G; diese bewirkt im freien Fall die Erdbeschleunigung. Ist die
Masse in Ruhe, dann muss die Haltekraft
gleich G sein. Auf dem Mond
ist die Gewichtskraft nur ein Sechstel so groß wie auf der Erde,
dem entsprechend ist auch die "Mondbeschleunigung" nur
ein Sechstel der Erdbeschleunigung.
Bei einem Crash-Test
treten enorme Bremsverzögerungen auf, die gemäß dem
Kraftgesetz gewaltige Kräfte auf die Insassen bewirken. Eine
Slow-Motion-Studie erlaubt eine Berechnung:
Auf einen 80 kg schweren Fahrer wirkt eine Kraft von 17 kN! Das
entspricht einer Gewichtskraft auf eine Masse von 1,7 Tonnen.
Deshalb wurde die Anschnallpflicht eingeführt.