Versuch 10: Massen sind träge 06.04.2011, 14:20

Versuch 10, Vorschaubild

Die Trägheit bewirkt, dass Körper in ihrem Bewegungszustand verharren, so lange keine äußere Kraft auf sie einwirkt. Je größer die Masse eines Körpers ist, umso mehr Kraft ist erforderlich, ihn in Bewegung zu versetzen oder aus der Bewegung zum Stillstand zu bringen. Zwei einfache Versuche machen es klar. Mit Vorschlägen und Lösungen für ein Arbeitsblatt.

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Ulis Versuche (lies auch bei Versuch 1 nach) 

Massen sind träge

In Natur und Technik fällt uns ein durchgängiges Prinzip auf: die Trägheit der Körper. Will man z. B. ein Fahrrad in Schwung bringen, dann muss man zunächst einige Energie aufwenden, bis es die gewünschte Geschwindigkeit erreicht hat. Läuft uns in der schönsten Fahrt eine Katze über den Weg, ist wieder Energie, dieses Mal Bremsenergie nötig, um die Geschwindigkeit zurück zu nehmen. Um das Fahrrad auf ebener Strecke in Fahrt zu halten, braucht es auch Energie, doch diese hat mit der Reibung im System zu tun.

Die Trägheit bewirkt, dass Körper in ihrem Bewegungszustand verharren, so lange keine äußere Kraft auf sie einwirkt. Je größer die Masse eines Körpers ist, umso mehr Kraft ist erforderlich, ihn in Bewegung zu versetzen oder aus der Bewegung zum Stillstand zu bringen. Das Trägheitsprinzip ist eine wichtige Grundlage der klassischen Mechanik.

Zwei sehr einfach durchzuführende Experimente machen uns klar, wie Trägheit wirkt.

1. Batterie, Größe AA

Der Papierstreifen ist zwischen Tischplatte und Batterie eingeklemmt. Kann man den Papierstreifen unter der Batterie heraus ziehen, ohne dabei die Batterie zu berühren?

Es geht, wenn man den Papierstreifen mit hoher Geschwindigkeit nach links zieht. Dabei kann die Batterie mit ihrer Masse - und damit mit ihrer Trägheit - der Papiergeschwindigkeit nicht folgen: Sie bleibt stehen.

Papierstreifen unter einer Batterie wegziehen

2. Toilettenpapier abreißen 

Kann man das Toilettenpapier mit nur einer Hand abreißen?

Die meisten Menschen nehmen wohl beide Hände zu Hilfe, wenn sie das benötigte Blatt bzw. die Blätter abreißen. Vielen Zeitgenossen ist dies aber zu umständlich: Sie machen es mit einer Hand. Dabei nützen sie instinktiv die Massenträgheit der Papierrolle aus: Beim schlagartigen Herunterziehen des Blatts bleibt die Rolle mit ihrer Masse zurück, so dass das Blatt an der Perforierung reißen muss.

Toilettenpapier abreissen

Fragen für ein Arbeitsblatt:

- Batterieversuch: Welche physikalische Größe könnte Mitschuld haben, wenn die Batterie doch umfällt?
- Toilettenpapier: An welcher Perforierung genau reißt das Papier, wenn man an ihm ganz unten zieht?
- Ein von hinten kommendes Fahrzeug fährt einem vorausfahrenden Auto auf: Welche Bewegung machen die Insassen im vorderen Wagen? Begründe Deine Antwort.
- Ein von hinten kommendes Fahrzeug fährt einem vorausfahrenden Auto auf: Welche Bewegung macht der Chauffeur im auffahrenden Wagen? Begründe Deine Antwort.
- Holz hacken: Ein Mann will einen Holzklotz spalten. Der Holzklotz hat eine doppelt so große Masse wie die Beilklinge. Mit welcher Methode hat der Mann mehr Erfolg? Begründung.
- Schwungräder sind Räder, die in rotierenden Einrichtungen, z. B. Verbrennungsmotoren, mit ihrer großen und damit trägen Masse für gleichmäßigen Lauf sorgen. Lies z.B. bei Wikipedia nach, wie die Funktion des Schwungrads dort beschrieben wird.

Lösungsvorschläge

- Batterieversuch: Welche physikalische Größe könnte Mitschuld haben, wenn die Batterie doch umfällt? 
Die Reibung zwischen Papierstreifen und Batterieboden bewirkt ein zusätzliches Kippmoment.
- Toilettenpapier: An welcher Perforierung genau reißt das Papier, wenn man an ihm ganz unten zieht?
Es reißt an der ersten Perforierung, denn schon das nächste Blatt bremst wegen seiner Trägheit.
- Ein von hinten kommendes Fahrzeug fährt einem vorausfahrenden Auto auf: Welche Bewegung machen die Insassen im vorderen Wagen? Begründe Deine Antwort.
Der Aufprall zwingt dem vorderen Fahrzeug eine plötzliche höhere Geschwindigkeit auf. Die Insassen wollen wegen der Trägheit ihre bisherige, geringere Geschwindigkeit beibehalten: Sie werden nach hinten geschleudert.
- Ein von hinten kommendes Fahrzeug fährt einem vorausfahrenden Auto auf: Welche Bewegung macht der Chauffeur im auffahrenden Wagen? Begründe Deine Antwort.
Durch den Aufprall wird das hintere  Fahrzeug abgebremst. Der Fahrer will wegen der Trägheit seine bisherige, höhere Geschwindigkeit beibehalten: Er wird nach vorne geschleudert.
- Holzhacken: Ein Mann will einen Holzklotz spalten. Der Holzklotz hat eine doppelt so große Masse wie die Beilklinge. Mit welcher Methode hat der Mann mehr Erfolg? Begründung.
Mit der im rechten Bild gezeigten. Das größere Gewicht des Holzklotzes lässt diesen mit höherer Kraft in die Beilklinge eindringen und sich so leichter spalten.

Holz_spalten_440.png

 

- Schwungräder sind Räder, die in rotierenden Einrichtungen, z. B. Verbrennungsmotoren, mit ihrer großen und damit trägen Masse für gleichmäßigen Lauf sorgen. Lies bei wikipedia nach, wie die Funktion des Schwungrads dort beschrieben wird.
Hubkolbenmotoren und Dampfmaschinen können nur in einem Arbeitstakt Energie über die Kurbelwelle an den Abtrieb abgeben. In den restlichen Takten benötigen sie Energie, um die Drehbewegung zu vollenden und z. B. die Verbrennungsluft zu verdichten. Diese Energie wird während des Arbeitstaktes im Schwungrad zwischengespeichert und danach wieder abgegeben.

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Weitere Experimente im tec.LEHRERFREUND:

- Wenn sich Körper biegen
- Chemisch Wasser ansaugen
- Flasche mit Wasser füllen
- Metall schwimmt
- Eine Kerze ausblasen
- Schubkarre
- Körperschwerpunkt 1
- Körperschwerpunkt 2
- Der Akrobat

- Nähfadenrolle
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