(Klassische Mechanik > Kräfte ändern den Impuls) Show
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Beispiele
VersucheEin großer und ein kleiner Stein fallenVorüberlegungenDer große Stein hat eine größere Gewichtskraft als der kleine, deshalb fällt er schneller zu Boden. Vielleicht spielt die Dichte der Steine eine Rolle. AufbauDie beiden Steine auf "Drei" auf eine Pappunterlage fallenlassen. BeobachtungSie kommen beide gleichzeitig unten an! Erklärung durch einen Gedankenversuch
 Dieser Stein besteht aus vier Teilen. Erklärung durch Zerteilung Teilt man einen Stein in einige kleinere Teile (z.B. indem er hinfällt:), so kann man ihn wieder zu einem Stein zusammensetzen. Fallen nun die zusammengesetzten Teile anders als der ganze Stein? Es ist nicht einzusehen, warum sich die fallenden Einzelteile gegenseitig beeinflussen sollten. Alle fallen für sich genauso wie der ganze Stein zusammen. Erklärung durch Trägheit und Schwere Ein größerer Stein hat durch seine größere Masse eine größere Schwere, genauer eine größere Gewichtskraft. Aber andererseits hat er auch eine größere Trägheit. Bei einer großen Kraft verändert sich der Impuls schnell aber bei einer großen Trägheit verändert sich der Impuls nur langsam! Beide Effekte scheinen sich genau aufzuheben.Eine Feder und ein Stein fallenAufbauEinfach Feder und Stein fallen lassen. BeobachtungDie Feder fällt ganz langsam zu Boden, der Stein ist viel schneller am Boden. ErklärungWarum fällt die Feder so langsam? An ihrer kleinen Masse kann es nicht liegen, denn ein Stein der gleichen Masse müßte, wie man schon gesehen hat, genauso wie der große Stein fallen. Der Unterschied zwischen der Feder und einem Stein gleicher Masse ist offensichtlich, dass die Feder "viel mehr im Raum verteilt ist". Dadurch hat sie viel mehr Kontaktfläche zur Luft. Wahrscheinlich ist die Wechselwirkung zwischen der Feder und der Luft viel größer als bei einem Stein. Eine Feder und ein Stein fallen im luftleeren RaumAufbauEine Feder fällt in einer FlascheAufbauEin Blatt Papier fälltAufbaua) Ein Blatt Papier und einen Stein gleichzeitig fallen lassen. b) Das Papier zerknüllen und nochmal beide fallenlassen. Die Bewegungsgesetze des freien FallsWenn der Luftwiderstand, so wie auf dem Mond, nicht vorhanden ist oder keine große Rolle spielt, spricht man vom "freien Fall". Wie bewegt sich also ein Stein, den man losläßt? Man weiß, dass nur eine Kraft auf ihn wirkt, die Gewichtskraft. Am Anfang der Bewegung ruht der Stein, er hat noch keinen Impuls. Durch die konstante Kraft bekommt er gleichmäßig immer mehr Impuls. Es ist also eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Die Gewichtskraft gibt an, wie schnell sich der Impuls mit der Zeit ändert. Wir nehmen an, dass der Gegenstand am Anfang noch keinen Impuls hat. [math]p = F_G\cdot t = m\, g \cdot t \quad \text{, mit } g \approx 10\rm\frac{N}{kg} [/math]Bei einem Stein mit 400 Gramm Masse, der die Gewichtskraft von 4 Newton hat, wird der Impuls also um 4 Huygens pro Sekunde zunehmen. Wie verändert sich die Geschwindigkeit des Steins? Im Wasserbehältermodell sieht das so aus: Mit welcher Beschleunigung wird die Geschwindigkeit zunehmen? Ausgehend von der Gewichtskraft erhält man die Bewegungsgesetze: Die Gewichtskraft berechnet sich als Masse mal Ortsfaktor. Die Beschleunigung ergiebt sich aus der Gewichtskraft, indem man durch die Masse teilt.
Animation: Fall mit Luftwiderstand im WasserbehältermodellEine Wasserpumpe pumpt Wasser in einen Behälter, der einen Abfluß hat. Mit den Schiebereglern unter dem Behälter kann man die Bedingungen verändern. Der linke steuert die Zuflussrate, der rechte durch die Größe des Abflußrohres, die Abflussrate. In der Mitte kann man die Behältergröße einstellen.
Praktikum: Luftwiderstand eines Papiertrichters
Das Ziel ist es den Luftwiderstand eines Papiertrichters bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu messen. Dazu läßt man den Trichter im Treppenhaus fallen und bestimmt seine Endgeschwindigkeit. Diese erreicht der Trichter nicht sofort, deshalb muss man den Trichter erst eine kurze Zeit fallen lassen, bevor man mit der Messung der Strecke und der Zeit beginnt! Steckt man zwei oder mehrere Trichter ineinander, so erreichen sie eine höhere Endgeschwindigkeit, sie "fallen schneller". a) Erkläre, warum mehrere ineinandergesteckte Trichter schneller fallen als einer alleine. b) Messt nun die Masse [math]m[/math] der Trichter und ihre Endgeschwindigkeiten [math]v[/math]. Berechnet die Gewichtskraft [math]F_G[/math] und tragt dann den Luftwiderstand (in N) über die Geschwindigkeit (in m/s) in einem Koordinatensystem auf. c) Berechnet den Quotienten aus Widerstandskraft und Geschwindigkeit ins Quadrat und tragt die Ergebnisse in die Tabelle ein. Was stellt ihr fest und was kann man daraus schließen?
Zeugs
Das Geschwindigkeitsdiagramm eines Fallschirmsprungs. Ein Fallschirmsprung erfolgt im Allgemeinen aus 1000 bis 4500 m über Grund. Der Steigflug im Flugzeug bis in diese Höhe dauert etwa 5 bis 20 Minuten. Im freien Fall werden bei der klassischen Freifallhaltung in Bauchlage innerhalb der ersten 10 Sekunden 300 Höhenmeter überwunden, bis Körpergewicht und Luftwiderstand so gegeneinander wirken, dass die weitere Fallgeschwindigkeit etwa 180 km/h beträgt. Je nach Körperhaltung sind auch höhere Geschwindigkeiten möglich. Bei Tandemsprüngen wird kurz nach dem Absprung ein kleiner Brems- und Stabilisierungsschirm (Drogue) geöffnet, der die Geschwindigkeit nicht über 200 km/h ansteigen lässt. Bei einem Absprung aus 4000 m ist die Öffnungshöhe in etwa 40 bis 60 Sekunden erreicht. Der Fallschirm wird in der Regel zwischen 1.500 und 700 m über Grund geöffnet. Der Entfaltungsvorgang des Fallschirms dauert zwei bis fünf Sekunden und etwa 200 Höhenmeter, der Schirm hat während des Öffnens eine Bremsbeschleunigung von bis zu etwa 20 m/s². Die anschließende Schirmfahrt dauert etwa 3 bis 5 Minuten mit einer Sinkgeschwindigkeit von etwa 5 m/s. (Aus Wikipedia: Fallschirmspringen) Links
Was fällt schneller Stein oder Feder?Eine Feder und ein Stein fallen
Die Feder fällt ganz langsam zu Boden, der Stein ist viel schneller am Boden.
Ist ein Kilo Federn leichter als ein Kilo Steine?Überraschung: 1 kg Federn ist wirklich (ein wenig) leichter als 1 kg Steine. Begründung: Gramm bzw. Kilogramm bezeichnet Masse, also Menge an Materie. 1 kg Steine haben wenig Volumen (kleiner Sack); 1 kg Federn haben viel Volumen (grosser Sack).
Warum fallen Stein und Feder im Vakuum gleich schnell?Da auf alle Körper im freien Fall eine gleich große Beschleunigung wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.
Wer fällt schneller?Nein. “Alle Körper fallen gleich schnell.” Das ist das Fallgesetz, wissenschaftlich formuliert von Galileo Galilei. Dieses Fallgesetz sieht man jedoch im Alltag kaum, da der Luftwiderstand den Fall der Dinge verfälscht.
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Was fällt schneller 1 kg Federn oder 1 kg Steine?
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