Gratis-Download Educate Yourself âFun & Physik" (PDF 1,4 MB)
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Fun und Physik<br />
Erlebe<br />
die physikalischen Phänomene<br />
der Achterbahnen<br />
Bottrop-Kirchhellen
Inhalt<br />
3 Willkommen<br />
4 ERSTER TEIL<br />
Für Grundschulen<br />
4 Freizeitparks – Wie alles anfing<br />
5 Die verschiedenen Achterbahntypen<br />
6 Bist du mutig? Na klar!<br />
7 Was genau bedeutet Kapazität?<br />
8 Die Zeit<br />
9 Die Geschwindigkeit<br />
10 ZWEITER TEIL<br />
Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
10-11 Die Beschleunigung<br />
12 Die Masse<br />
13 Die Trägheit – Das Trägheitsgesetz<br />
14 Die Kräfte<br />
15-16 Die Schwerkraft und das Gewicht<br />
17 Der freie Fall<br />
18 Kräfte bei gradlinig beschleunigten Bewegungen<br />
19 Die Schwerelosigkeit<br />
20-23 Die Flieh- und die Zentripetalkraft<br />
Diese Broschüre wurde zusammengestellt von: Roger Demeure, Doktor<br />
der Physik und Lehrbeauftragter an der Katholischen Universität Leuven<br />
Diese Broschüre darf ausschließlich für den Gebrauch in der Schule kopiert<br />
werden, nicht für die kommerzielle Nutzung.
Im<br />
Movie Park<br />
Germany, dem größten Film- und<br />
Entertainmentpark Deutschlands, kann<br />
man bei Fahrten mit den unterschiedlichsten<br />
Attraktionen eine ganze Reihe aufregender<br />
Erfahrungen machen. Hier kommt jeder auf seine<br />
Kosten, doch stellt dieser unvergessliche Ausflug<br />
auch die Gelegenheit dar, einige der maßgeblichen<br />
Naturgesetze kennen zu lernen, die das Leben auf<br />
unserem Planeten Erde bestimmen. Machen Sie sich<br />
die Beliebtheit unserer Parks zu Nutze, um das<br />
Wissen aus Ihrem Unterricht auf spielerische<br />
Art und Weise zu vermitteln.<br />
Willkommen<br />
Bei jeder Attraktion unseres Parks können Sie die Reaktionen Ihres Körpers beobachten<br />
und sich über Ihre dabei wahrgenommenen Empfindungen Fragen stellen:<br />
• Warum falle ich eigentlich beim Looping der Achterbahn nicht heraus?<br />
• Ist es normal, das ich bei einem Katapultstart in meinen Sitz gedrückt werde?<br />
• Warum habe ich den Eindruck, als würde ich abheben, wenn „The High Fall“<br />
(Gyrodrop-Tower) nach unten fällt?<br />
• Warum werde ich nach vorn gedrückt, wenn der „Bandit“ Roller Coaster abrupt bremst?<br />
• Rutschen in den Kurven eigentlich alle Menschen zur Seite?<br />
In dieser Broschüre werden die Antworten auf diese und noch andere Fragen gegeben.<br />
Außerdem bieten wir Ihnen eine einzigartige Gelegenheit: die Phänomene, die sonst<br />
nur aus Büchern bekannt sind selber zu erleben.<br />
Kindern und Jugendlichen können Sie die physikalischen Grundprinzipien unterhaltsam<br />
und leicht verständlich nahe bringen. Durch die bloße Beobachtung von Bewegungen<br />
und Reaktionen des Körpers machen sich Ihre Schüler oder Ihre Kinder mit so wichtigen<br />
physikalischen Begriffen wie Masse, Gewicht, Trägheit, Schwer- und Fliehkraft vertraut.<br />
Diese Broschüre soll Ihnen bei Ihrer Entdeckungsreise in unserem Freizeitpark<br />
als Leitfaden dienen, denn in ihr sind Aufgaben, Experimente und Erklärungen<br />
enthalten,die Ihnen helfen, alle diese physikalischen Begriffe praxisorientiert zu<br />
veranschaulichen. Außerdem werfen wir einen Blick auf die Anfänge der Physik und<br />
wie diese Wissenschaft den Bau hochmoderner Themenparks wie Movie Park Germany<br />
ermöglichte. Und selbstverständlich soll dabei der Spaß im Vordergrund stehen!<br />
Übrigens sind in der Broschüre zwei Teile mit Erläuterungen enthalten: ein erster Teil ist<br />
für Grundschulen und ein Zweiter für weiterführende Schulen gedacht.<br />
Wir wünschen Ihnen und Ihren Schülern viel Spaß beim studieren dieser Broschüre und<br />
einen anschließenden unvergesslichen Tag im Movie Park Germany.<br />
BIS BALD!<br />
3
Teil 1 für Grundschulen<br />
FREIZEITPARKS:<br />
WIE ALLES ANFING<br />
Die Eispisten aus Russland<br />
Die Entdeckungen von Physikern wie Galilei und Newton ermöglichten den<br />
Bau von Attraktionen. Diese Gelehrten untersuchten Phänomene wie z. B. die<br />
Schwerkraft, den freien Fall und die Beschleunigung. So erblickten vor Hunderten<br />
von Jahren die Vorläufer der Achterbahnen von Movie Park Germany das Licht der<br />
Welt. Bereits im 15. Jahrhundert wurden in Russland während kalter Winter Eispisten auf<br />
Holzgerüsten gebaut. Um auf diese Gerüste zu kommen, musste man eine Treppe hoch steigen;<br />
dann ließ man sich in atemberaubender Geschwindigkeit nach unten gleiten. Gegen 1700 wurden<br />
vergleichbare Rutschbahnen – allerdings ohne Schnee und Eis – gebaut, auf denen man mit einer Art<br />
Schlitten auf Rädern nach unten fuhr.<br />
Die erste entgeltliche Fahrt in Amerika<br />
Im 19. Jahrhundert wurden die ersten Rutschbahnen gebaut, die eine geschlossene Bahn darstellten. Dabei wurden die Wagen von<br />
Menschen, Tieren und manchmal auch mit Drahtseilen bis nach oben gezogen. In derselben Epoche, so etwa gegen 1840, versuchte man,<br />
die ersten Bahnen mit Kurven zu bauen.<br />
In den ersten Jahren des 19. Jahrhunderts wurde in einem Bergwerk in Pennsylvania ein Schienensystem zum Kohlentransport entwickelt<br />
bei dem sich die Wagen nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegten. Bei der Schließung des Bergwerks im Jahre 1870 wurde diese<br />
Schienenstrecke<br />
von 30 Kilometer Länge zu einer Attraktion. Für einen Dollar konnte man in einem der<br />
Wagons<br />
Platz nehmen und sich auf eine spannende eineinhalbstündige Fahrt begeben.<br />
Und so musste man für eine schnelle Abfahrt zum ersten Mal Geld<br />
bezahlen. Auf Englisch nennt man eine solche Fahrt „coast“, von daher<br />
kommt übrigens auch das englische Wort für Achterbahnen: „roller<br />
coaster“.<br />
Die Geburtsstunde der Themenparks<br />
Im Jahre 1927 baute man die ersten Metallgerüste. Das war<br />
damals eine bedeutende Neuerung, denn zuvor hatte man<br />
hauptsächlich Holz verwendet. Bis zum Jahre 1929 haben<br />
eine ganze Reihe von Unternehmen 1.500 solcher „roller<br />
coasters“ (Achterbahnen) gebaut. Doch dann setzte die<br />
Wirtschaftskrise den goldenen „Achterbahnzeiten“ ein<br />
Ende, sodass 1959 nur noch zwei Achterbahnkonstrukteure<br />
übrig waren.<br />
Nach dem Zweiten Weltkrieg begannen die Amerikaner mit<br />
dem Bau von Themenparks in der heutigen Form.<br />
4
Teil 1 für Grundschulen<br />
DIE VERSCHIEDENEN<br />
ACHTERBAHNTYPEN<br />
Die erste Achterbahnfahrt auf dem Kopf!<br />
Nach den ersten Versuchen zu Anfang des 19. Jahrhunderts konnte man erst 1975 eine<br />
Achterbahnfahrt mit einem vollständigen Looping machen. Diese Achterbahn trägt den Namen<br />
„Revolution“, und wurde anlässlich der 200-Jahrfeier der Vereinigten Staaten in Kalifornien<br />
gebaut. Mittlerweile gibt es sogar Achterbahnen mit sechs aufeinander folgenden Loopings.<br />
Damit hat sich seit den ersten Eispisten aus Russland einiges verändert; die<br />
Achterbahnen werden zunehmend spektakulärer. Dazu kommt noch, dass in jüngster Zeit<br />
alle Berechnungen von Computern gemacht werden und der Bau einer Achterbahn mit höchster<br />
Genauigkeit erfolgt. So kann zum Beispiel eine Bahn aus mehreren schnellen Kurven<br />
bestehen, auf die dann ein oder mehrere Loopings folgen.<br />
Die einzelnen Achterbahntypen<br />
Es gibt Holzachterbahnen, bei denen alles - auch das Gerüst<br />
und die Wagen - aus Holz gebaut wird. Allerdings haben<br />
Holzachterbahnen in der Regel keinen Looping. Auch<br />
waren sie früher meist nicht so hoch, nicht so schnell und<br />
hatten keine so starken Gefälle. Dennoch konnte es einem<br />
dabei ganz schön schwindlig werden.<br />
Natürlich gibt es auch Stahlachterbahnen. Bei denen fahrt ihr<br />
mit dem Kopf nach unten durch Kurven hindurch. Stahlachterbahnen<br />
sind meist größer und schneller als Holzachterbahnen.<br />
Was es sonst noch an Achterbahnen gibt<br />
• Auf manchen Achterbahnen fahren die Züge vorwärts und rückwärts.<br />
• Es gibt auch Achterbahnen, wie z.B. die MP XPress-Achterbahn an denen die Wagen<br />
so aufgehängt sind, dass eure Füße frei in der Luft schweben.<br />
• Es gibt sogar Achterbahnen, auf denen man im Stehen fährt.<br />
• Auf einigen Achterbahnen, werdet ihr einfach nach vorne katapultiert.<br />
Weil der Fortschritt keine Grenzen kennt, werden jedes Jahr neue Achterbahnen entwickelt und<br />
gebaut, die du in unseren Parks entdecken kannst.<br />
Hier findest du weitere Informationen:<br />
Wenn du wirklich alles über Achterbahnen wissen willst, dann wirf mal einen Blick ins Internet. Dort findest du auf den Websites<br />
www.moviepark.de, www.coastersandmore.com ganz bestimmt, was du suchst.<br />
Webtip: Eine genaue Auflistung aller Achterbahnen und Freizeitparks weltweit, mit allen relevanten technischen Daten und weiteren hilfreichen<br />
Informationen, kannst du im Internet finden unter: www.rcdb.com<br />
5
Teil 1 für Grundschulen<br />
BIST DU MUTIG?<br />
NA KLAR!<br />
Wenn du vor einer Achterbahn stehst und siehst, wie die Wagen<br />
in atemberaubender Geschwindigkeit durch die Kurven jagen oder<br />
durch einen Looping nach dem anderen brausen, hast du vielleicht<br />
ein bisschen Angst davor auch mitzufahren. Doch sei unbesorgt:<br />
die Attraktionen sind ganz sicher. Mit Hilfe physikalischer Formeln<br />
und Berechnungen wurden sie so gebaut, dass überhaupt kein Risiko<br />
besteht.<br />
Sicherheit geht vor!<br />
Bei allen Attraktionen von Movie Park Germany steht die Sicherheit im<br />
Vordergrund. Und das gilt sowohl für die Besucher als auch für die Angestellten<br />
und macht sich durch die Einhaltung drei wesentlicher Prinzipien bemerkbar:<br />
• Inspektionen<br />
Bevor der Park zu Anfang der Saison seine Tore öffnet, muss jede Attraktion ein offizielles<br />
„Sicherheitszertifikat“ erhalten. Dies ist Pflicht und von Behörden vorgeschrieben. Erst wenn<br />
unabhängige Prüfer vom TÜV, festgestellt haben, dass alles ordnungsgemäß funktioniert, wird dieses<br />
amtliche Dokument ausgestellt.<br />
Während der Saison werden alle Attraktionen täglich überprüft – und zwar noch bevor die Besucher in den Park strömen. Jede Attraktion<br />
ist mit einer Prüfliste versehen, in der zahlreiche Punkte aufgelistet sind, auf die der technische Dienst und der Leiter der<br />
jeweiligen Attraktion besonders zu achten haben. Diese Listen umfassen manchmal vier Seiten!<br />
• Integrierte Technik<br />
Die Attraktionen sind mit vielen technischen Anwendungen ausgestattet, durch<br />
die Zwischenfälle nahezu ausgeschlossen werden. So sind beispielsweise die<br />
Achterbahnen in mehrere „Blöcke“ eingeteilt, von denen jeder einzeln gesichert<br />
und an einen Computer angeschlossen ist. Stellt der Computer fest, dass<br />
der Zug durch einen bestimmten Block fährt, darf der andere Zug erst<br />
abfahren, wenn dieser Block wieder frei ist. So können die Züge niemals<br />
zusammenstoßen! Und sollte ein Sicherheitssystem trotzdem einmal<br />
ausfallen, übernimmt sofort ein Reservesystem die Kontrolle.<br />
• Strenge Mitarbeiterschulung<br />
Alle Mitarbeiter, die eine Attraktion überwachen, erhalten zunächst<br />
eine strenge Ausbildung. Dabei lernen sie, wie die Attraktion genau<br />
funktioniert, wie sie in Betrieb zu nehmen ist und worauf bei der täglichen<br />
Überprüfung geachtet werden muss.<br />
6
Teil 1 für Grundschulen<br />
WAS GENAU<br />
BEDEUTET<br />
KAPAZITÄT?<br />
Die Kapazität eines Freizeitparks gibt die Höchstzahl der Personen an, die<br />
sich gleichzeitig in einem Park befinden dürfen. Die stündliche Kapazität einer<br />
Attraktion umfasst die maximale Anzahl der Personen, die während einer Stunde mit einer<br />
Attraktion fahren dürfen.<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
Stell dir vor, dass an den Kassen eines Freizeitparks an einem Tag mit großem Andrang durchschnittlich 2000 Tickets pro<br />
Stunde verkauft werden. Du kannst die Tickets an den Kassen des Parks zwischen 9:00 Uhr morgens und 16:00 Uhr nachmittags<br />
kaufen. Rechne aus, wie viele Personen pro Tag durchschnittlich in den Park kommen könnten.<br />
Antwort<br />
2.<br />
3.<br />
Du hast dich zu einer Fahrt auf dem „Bermuda Dreieck“ entschlossen, das eine stündliche Kapazität von durchschnittlich 1400<br />
Personen hat. Du stellst dich hinten an und bemerkst, dass noch 700 Personen vor dir sind.<br />
Wie lange musst du ungefähr noch warten, bis du in eines der Boote steigen darfst?<br />
Antwort<br />
Bei 700 Personen musst du so lange warten: 60 Min. x (700:1400) = 30 Min.<br />
Die Tageskapazität des Movie Parks Germany beträgt 30.000 Besucher. An einem Tag mit besonders großem Andrang<br />
kommen pro Stunde durchschnittlich 6000 Besucher an die Kassen der Parks. Die Kassen öffnen um 10:00 Uhr. Nehmen wir<br />
an, dass alle in den Park gehenden Personen bis zur Schließung des Parks bleiben.<br />
Wann müssen die Kassen geschlossen werden, wenn man die Überfüllung des Parks verhindern möchte?<br />
Antwort<br />
Die zur Erreichung der maximalen Kapazität des Parks notwendige Zeit beträgt:<br />
30.000 : 6000 = 5 Stunden. Die Kassen müssen also um 15:00 Uhr geschlossen werden.<br />
Man verkauft sieben Stunden lang Tickets. Der Park könnte also 7 x 2000 = 14.000 Personen aufnehmen.<br />
7
Teil 1 für Grundschulen<br />
DIE ZEIT<br />
Beobachtung<br />
Nehmen wir an, du wärst mit einem Klassenkameraden zu einer bestimmten Zeit in der Nähe einer Attraktion verabredet und bist gerade<br />
auf der anderen Seite des Parks. Du fragst dich dann sicherlich, wie viel Zeit du brauchst, um zu der von dir gewählten Attraktion zu gehen.<br />
Um die Antwort auf diese Frage zu bekommen, musst du den Begriff Zeit genauer kennen lernen.<br />
Definition<br />
Ein bisschen Geschichte<br />
Zuerst wurde die Zeit mit Hilfe natürlicher, wiederkehrender Phänomene gemessen: Tag und Nacht, Mondphasen,<br />
Jahreszeiten usw. Das auf Stunden, Minuten und Sekunden beruhende Zeitmesssystem stammt aus der Antike und wurde<br />
seitdem nicht mehr verändert.<br />
Unter einem Zeitpunkt versteht man z.B. eine bestimmte Uhrzeit. So ist der Zeitpunkt der Parköffnung 9:00 Uhr.<br />
Die Zeit bzw. der Zeitraum ist der zwischen zwei Zeitpunkten gemessene Abstand. Wenn du zum Beispiel sagst, dass du um 8:00 Uhr zu<br />
Hause weggegangen bist um zur Schule zu gehen und dort um 8:20 Uhr angekommen bist, dann betrug die für die Strecke benötigte Zeit<br />
20 Minuten.<br />
Für Berechnungen wird die Zeit in Sekunden (s) angegeben. Die Messung erfolgt z.B. mit Stoppuhren.<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
4.<br />
Hast du schon bemerkt, dass die Maßeinheiten für die Uhrzeit nicht auf dem Dezimalsystem beruhen?<br />
Weißt du noch, wie viele Sekunden eine Minute hat?<br />
Antwort<br />
1 Min = 60 s<br />
Und wie viele Sekunden haben eine Stunde und ein Tag?<br />
Antwort<br />
1 Stunde = 3600 s; 1 Tag = 86.400 s<br />
Bevor du in den Park hineingehen kannst, musst du dich an der Kasse hinten anstellen. Dort stellst du fest, dass jede Person<br />
1 Minute und 45 Sekunden benötigt, um ihre Tickets zu erhalten. Vor dir sind noch zwölf wartende Personen. Wie viel Zeit (in<br />
Sekunden) musst du noch warten, bis du endlich die Attraktionen des Parks ausprobieren kannst?<br />
Antwort<br />
Wartezeit pro Person = (60 + 45)s = 105s, also gesamte Wartezeit: (12 x 105)s +105s = 1365s<br />
Bei einem Orientierungslauf ist die beste Mannschaft um 14:00 Uhr gestartet und um 14:53 Uhr angekommen.<br />
Berechne die benötigte Zeit in Sekunden.<br />
Antwort<br />
Dauer = 53 Min. = (53x60s) = 3180s<br />
8
Teil 1 für Grundschulen<br />
DIE<br />
GESCHWINDIGKEIT<br />
Beobachtung<br />
Die Gesamtlänge der Schienen der Achterbahn beträgt 246 Meter. Die Geschwindigkeit, mit der der Zug an dir<br />
vorbeifährt, ist beeindruckend. Sicherlich würdest du diese Geschwindigkeit gerne berechnen. Aber wie geht das eigentlich?<br />
Zunächst einmal siehst du auf deine Uhr und wirst dann feststellen, dass der Zug für eine komplette Fahrt zwei Minuten benötigt. Und dann...<br />
Definition<br />
Alles, was sich bewegt, tut dies mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Je schneller ein Gegenstand ist, um so größer ist der in einer bestimmten Zeit<br />
zurückgelegte Weg. Somit kann man die Geschwindigkeit berechnen, indem man den zurückgelegten Weg durch die dafür benötigte Zeit dividiert.<br />
Die Geschwindigkeit wird in Meter pro Sekunde (m/s) gemessen. Im Alltag wird dieser Wert in Kilometer pro Stunde (km/h) ausgedrückt.<br />
Erweitere dein Wissen! Die Geschwindigkeit der Achterbahn beträgt: 246 : (2 x 60)m/s = 2,05m/s also etwa 7,38 km/h. Stimmt, das ist<br />
eigentlich nicht sehr schnell...<br />
Warum kam dir der Zug dann so schnell vor, als er an dir vorbeifuhr? Während der gesamten Fahrt verändert sich seine Geschwindigkeit<br />
ständig, sodass sie manchmal unter und manchmal über diesem Wert liegt.<br />
Die von dir soeben berechnete Geschwindigkeit nennt man die „Durchschnittsgeschwindigkeit“ der Achterbahn- Zuges. Sie verrät dir nichts<br />
über die Geschwindigkeit an einer bestimmten Stelle auf der Achterbahn, eine solche Geschwindigkeit wird als „Momentangeschwindigkeit“<br />
bezeichnet. Wenn man die Durchschnittsgeschwindigkeit kennt, weiß man noch nichts über die „Höchstgeschwindigkeit.“<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
Geschwindigkeit = Weg= Zeit= Weg Weg = Geschwindigkeit x Zeit<br />
Zeit Geschwindigkeit<br />
Wusstest du schon, dass einige Fahrzeuge in den Freizeitparks<br />
eine Geschwindigkeit von 110 km/h erreichen können? Die<br />
Durchschnittsgeschwindigkeit einer Fahrt kannst du errechnen, indem du den<br />
zurückgelegten Weg durch die für die Fahrt benötigte Zeit teilst. Wenn der<br />
Achterbahn-Zug von der ersten Bergabfahrt zurückkommt, braucht er 0,78<br />
Sekunden, um an dir vorbeizufahren. Berechne nun seine Geschwindigkeit an diesem Teil der Strecke, wenn du davon ausgehst,<br />
dass der Zug 18 Meter lang ist. Vergleiche den berechneten Wert mit der zuvor ermittelten Durchschnittsgeschwindigkeit.<br />
Antwort<br />
Jeder Wagen legt einen Weg von 18 m zurück, d.h. einmal die gesamte Zuglänge i n 0,78s Geschwindigkeit = Zuglänge: zwischen<br />
der Durchfahrt des ersten und letzten Wagens verstrichene Zeit, d.h. (18 : 0,78) m/s = 23 m/s. Dies entspricht etwa 83<br />
Nehmen wir an, du möchtest einmal mit der „Mad Manor“ fahren. Bei einem Blick auf den Parkplan stellst du fest, dass du<br />
250 Meter zurücklegen musst. Weil du es auf dem Weg zu dieser Attraktion wirklich eilig hast, gehst du schneller, sodass<br />
deine Geschwindigkeit 5,4 km pro Stunde beträgt. Wie viel Zeit (in Sekunden) wirst du brauchen, bis du bei der Attraktion<br />
angekommen bist?<br />
Antwort<br />
Deine Geschwindigkeit beträgt (5400 : 3600) m/s = 1,5 m/s, also brauchst du zur Erreichung deines Ziels: (250:1,5) m/m/s = 166,6 s<br />
9
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE<br />
BESCHLEUNIGUNG<br />
Beobachtung<br />
Gerade wurde darauf hingewiesen, dass die Geschwindigkeit einer Attraktion nicht immer konstant bleibt.<br />
Folglich bist du bei einer Fahrt mit einer Attraktion beim Movie Park Germany ständig den Veränderungen der<br />
Geschwindigkeit ausgesetzt. Und diese Veränderungen können je nach Attraktion mehr oder weniger abrupt erfolgen.<br />
Mit anderen Worten: der Wechsel deiner Geschwindigkeit kann sich innerhalb eines kurzen oder etwas längeren Zeitraums vollziehen.<br />
Definitionen<br />
Um diese Erscheinung zu messen, wurde in der Physik der Begriff der Beschleunigung eingeführt. Wenn die Geschwindigkeit steigt, spricht<br />
man von Beschleunigung. Nimmt sie ab oder hältst du an, spricht man von Bremsen bzw. negativer Beschleunigung.<br />
Zur Berechnung dieses Phänomens wird auf die mathematische Formel der durchschnittlichen Beschleunigung während der Dauer der<br />
Bewegung zurückgegriffen. Je größer die Geschwindigkeitsänderung in einer bestimmten Zeit ist, um so größer ist die Beschleunigung.<br />
Analog zur Geschwindigkeit erhöht man die Beschleunigung Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung<br />
Zeit<br />
Die Größe der Beschleunigung wird in Metern pro Sekunde (m/s/s oder m/s 2 ) angegeben.<br />
Wenn du immer dieselbe Beschleunigung fährst, erhöht sich deine Geschwindigkeit in jeder Sekunde um einen deiner Beschleunigung<br />
entsprechenden Wert.<br />
Geschwindigkeit = Beschleunigung x Zeit<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
Auf dem „High Fall“ stürzt du so schnell in die Tiefe, dass du innerhalb von 2,5 s eine Geschwindigkeit von 45 m/s (160 km/h) erreichst.<br />
Damit beträgt deine Beschleunigung 18 m/s 2 . In jeder verstrichenen Sekunde erhöht sich diese Geschwindigkeit um 18 m/s.<br />
Zeit Geschwindigkeit Zurückgelegter Weg<br />
1 s 18 m/s 9 m<br />
2 s 36 m/s 36 m<br />
3 s 54 m/s 81 m<br />
Sieh dir die Angaben in dieser Tabelle genau an. Welche Geschwindigkeit und welche Strecke hättest du nach vier Sekunden<br />
erreicht bzw. zurückgelegt?<br />
Antwort<br />
Geschwindigkeit = (4 x 18) m/s = 72 m/s, also fast 260 km/h<br />
Stell dir vor, du wirst mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h in die Tiefe stürzen und möchtest innerhalb von drei Sekunden<br />
anhalten. Welcher Geschwindigkeitsverringerung bzw. negativen Beschleunigung wärst du dabei ausgesetzt?<br />
Antwort<br />
(0 – 33,33) : 3 = - 11,11 m/s/s = - 11,11 m/s 2<br />
Du gelangst von einer Geschwindigkeit in Höhe von (120.000 m/3600s = 33,33 m/s) in den Ruhezustand, d.h. auf eine<br />
Geschwindigkeit von = 0 m/s. Damit ergibt sich folgende negative Beschleunigung oder Geschwindigkeitsverringerung:<br />
10
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
Wie könntest du jetzt feststellen, ob du dich mit einer konstanten Geschwindigkeit<br />
fortbewegst oder einer Beschleunigung ausgesetzt bist? Und überhaupt: in welche<br />
Richtung verläuft diese Beschleunigung?<br />
Dafür musst du dir einen Beschleunigungsmesser bauen (siehe Zeichnung).<br />
Besorge dir folgende Gegenstände:<br />
• eine durchsichtige Plastikflasche (Cola-, Limonaden- oder Mineralwasserflasche).<br />
Wirf aber den Verschluss der Flasche nicht weg, denn den brauchst du noch!<br />
• ein Stück Nylonschnur, so wie sie zum Beispiel von Anglern verwendet wird.<br />
• einen Korken, oder noch besser: den Schwimmer einer Angel.<br />
Fülle die Flasche zu zwei Dritteln mit Wasser und befestige den aufbewahrten Verschluss der Flasche an einem der beiden Schnurenden.<br />
Am anderen Ende befestigst du den Schwimmer. Jetzt führst du das Ende mit dem Schwimmer und der Schnur in die Flasche ein und drehst<br />
den Verschluss zu. Dreh die Flasche nun um und du wirst feststellen, dass der Schwimmer durch die Flüssigkeit getragen wird und sich die<br />
Schnur spannt. Damit ist dein Beschleunigungsmesser fertig! Nun musst du ihn nur noch ausprobieren, doch sei dabei vorsichtig...<br />
Erklärung der Funktionsweise: Weil Wasser ein höhere Dichte besitzt als der Schwimmer, weist es eine größere Trägheit auf. Wird die<br />
Flasche einer Beschleunigung nach rechts ausgesetzt, wird das Wasser zur linken Seite hin gedrückt. Durch eine Erhöhung des Drucks auf<br />
die linke Seite des Schwimmers wird dieser nach rechts gedrückt, dies ist die Richtung der Beschleunigung.<br />
Deine Empfindungen<br />
Da dein Körper Beschleunigungen selbst wahrnehmen kann, kannst du die Beschleunigungen bei einer Fahrt mit den Attraktionen ganz<br />
leicht ohne den Beschleunigungsmesser (Gerät zur Messung der Beschleunigung) spüren. Die Werkzeuge, die deinem Körper zur Verfügung<br />
stehen, um die Beschleunigung zu messen, könnte man als „natürlichen Beschleunigungsmesser“ bezeichnen. Befassen wir uns ein wenig<br />
mit der Art, in der dein „natürlicher Beschleunigungsmesser“ die verschiedenen Beschleunigungen ermittelt.<br />
Richtung der Beschleunigung Technischer Fachbegriff Empfindung<br />
Nach oben Vertikal Du fühlst dich an deinen Sitz gepresst. Je höher die Beschleunigung, destso<br />
mehr<br />
fühlst du dich „erdrückt“<br />
Nach unten Vertikal Du hast den Eindruck, du würdest von deinem Sitz abheben und dein Magen<br />
gegen den Hals gedrückt werden.<br />
Nach vorne Horizontal Du denkst, du würdest nach hinten in deinen Sitz geworfen. Dein Kopf und<br />
deine<br />
Schultern können nach hinten geschleudert werden.<br />
Nach hinten Horizontal Es kommt dir vor, als würdest du gegen die Sicherheitsstange deines Sitzes<br />
gedrückt.<br />
Dein Kopf und deine Schultern können nach vorne geschleudert werden.<br />
Von links nach rechts lateral Man rutscht nach links, analog mit rechts.<br />
Von rechts nach links lateral Deine Schultern können gegen die Seite deines Sitzes oder gegen deinen<br />
11
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE MASSE<br />
Beobachtungen<br />
Kannst du dir ungefähr vorstellen, wie viel Eisen zum Bau des MP XPress verwendet wurde?<br />
Was meinst du: Ist es leichter, „Bandit“ in Bewegung zu setzen, wenn niemand mitfährt oder<br />
wenn alle Wagen voll besetzt sind?<br />
Diese beiden Fragen brachten Physiker zur Festlegung des Begriffs der Masse.<br />
Definition<br />
Die Masse eines Körpers kann für zwei seiner Merkmale stehen:<br />
• die Menge der Materie, aus der dieser Körper besteht: diese wird durch Verwendung<br />
einer Waage ermittelt (siehe nebenstehende Zeichnung).<br />
Ähnliche Waagen kann man manchmal noch auf Märkten entdecken; gelegentlich wird aber auch auf jene Waagen zurückgegriffen,<br />
die du beim Einkaufen in den Geschäften sehen kannst. Der dabei erhaltene Wert wird als schwere Masse bezeichnet.<br />
• die Schwierigkeit, einen Körper in Bewegung zu setzen – doch davon später mehr. Deswegen spricht man auch von träger Masse.<br />
Vielleicht wusstest du schon...<br />
Masse und Gewicht dürfen auf keinen Fall verwechselt werden.<br />
Masse wird in Kilogramm (kg) angegeben. Dies ist die offizielle<br />
Maßeinheit. Gewicht dagegen wird in Newton (N) angegeben.<br />
Dies ist ein im Alltag oft begangener Irrtum.<br />
Die Masse verändert sich trotz ihres Aufenthaltsortes nicht. Das heißt, dass sich die Menge der Materie nicht ändert. In der Physik sagt man,<br />
die Masse eines Körpers ist konstant.<br />
Ein Beispiel: die Masse eines Kilogramm Popcorn ändert sich nicht, egal ob man sich auf dem Mars oder bei Movie Park Germany befindet.<br />
Dagegen ist das Gewicht eines Körpers – und darauf soll später noch einmal hingewiesen werden – nicht konstant, denn es ändert je nach<br />
Ort. Genau deswegen hat ein Astronaut auf dem Mond ein anderes Gewicht als auf der Erde.<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
Kennst du noch andere Maßeinheiten für die Masse?<br />
Antwort<br />
Tonne, Hektogramm, Dekagramm, Kilogramm, Dezigramm, Zentigramm, Milligramm<br />
Hast du schon einmal darauf geachtet, dass Körper mit gleichem Volumen aber aus unterschiedlichen Stoffen nicht dieselbe<br />
Masse haben? Kannst du Beispiele nennen? Um diesen Unterschied zu verdeutlichen, wurde der Begriff „Dichte“ eingeführt.<br />
Einen Styroporblock von 10 cm x 10 cm x 10 cm Größe (Volumen von 1 dm3) kannst du problemlos anheben. Könntest du<br />
das auch mit einem Stück Eisen, welches das gleiche Volumen aufweist?<br />
Antwort<br />
Ein Volumen von 1 dm3 Eisen besitzt eine Masse von 7,86 kg, während das gleiche Volumen an Styropor eine Masse<br />
von wenigen Gramm besitzt.<br />
12
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE TRÄGHEIT<br />
DER TRÄGHEITSSATZ<br />
Beobachtungen<br />
Ein ziemlich ungewöhnliches Wort für etwas, was jeder von uns doch eigentlich<br />
schon unzählige Male erlebt hat. Du bist in einen Wagen von „Bandit“ oder „Mad<br />
Manor“ gestiegen. Der Zug fährt ab und du wirst nach hinten gegen deinen Sitz<br />
gedrückt. Wenn die Fahrt mit der Attraktion zu Ende ist und der Zug bremst, wirst du<br />
nach vorne geschleudert – zum Glück gibt es die Sicherheitsstange. Aber was geschieht dabei<br />
genau? Warum bewegt sich dein Körper, wo doch niemand an ihm zieht oder ihn wegdrückt?<br />
Stellen wir uns eine andere Situation vor, die du sicherlich schon einmal erlebt hast.<br />
Nehmen wir an, du sitzt in einem<br />
Eisenbahnwagon und vor dir ist ein Tablett,<br />
auf dem ein Glas Limonade steht.<br />
Was stellst du fest? Der Gegenstand gleitet<br />
nach hinten und du hast den Eindruck, als<br />
Würdest du in die Rücklehne deines Sitzes<br />
gedrückt.<br />
Hier werde ich nach vorne Gedrückt und<br />
das Glas Limonade rutscht gegen den<br />
Vordersitz.<br />
Was ist passiert?<br />
Man sagt, dass du und dein auf dem Tablett abgestelltes Glas „Trägheit“ besitzen. Mit anderen Worten: dass eure Masse keine „Lust“ hat,<br />
Geschwindigkeitsänderungen des Zuges mitzumachen. Ihr behaltet euren Bewegungszustand bei. Wenn ihr ruht wollt ihr in Ruhe verharren,<br />
wenn ihr euch mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wollt ihr eure Geschwindigkeit beibehalten.<br />
Halten wir fest – auch davon später mehr -, dass dieses Phänomen auch auftritt, wenn du auf gerader Strecke fahrend in eine Kurve einbiegst.<br />
Aufgabe<br />
Auf einmal setzt sich der Zug in<br />
Jetzt musst du dein Glas schnell in die<br />
Hand nehmen, wenn es nicht umfallen<br />
Warum wirst du nach vorne geschleudert, wenn der Wagen der Achterbahn „Bandit“ anhält?<br />
Warum hast du das Gefühl, nach links oder nach rechts zu gleiten, wenn du mit einem Auto auf gerader Strecke fahrend in eine<br />
Kurve einbiegst?<br />
Was passiert, wenn<br />
• du in einem Zug sitzt und der Lokführer plötzlich abfährt?<br />
• der Zug in einem Bahnhof abrupt anhält?<br />
• du dich in einem Bus an einer Haltestange fest hältst und der Busfahrer plötzlich in<br />
eine Kurve fährt?<br />
Was passiert, wenn du beim Fahrrad fahren blitzschnell vor einem Hindernis bremsen musst?<br />
13
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE KRAFT<br />
Beobachtungen<br />
Warum setzen sich die Wagons der „Roller-Coaster“ in Bewegung?<br />
Warum gelangen die Boote des „Ice Age Adventure“ von einem Ufer zum anderen?<br />
Oder wie kommt es eigentlich, dass du auf dem „High Fall“ nach unten fällst?<br />
Solche Fragen kannst du dir während deines gesamten Parkbesuchs ständig stellen.<br />
Alle diese Phänomene sind auf Zug- und Schubkräfte zurückzuführen.<br />
Definitionen<br />
Vielleicht weißt du schon, dass eine Kraft im Allgemeinen angesehen wird als „Fähigkeit, einen<br />
Körper zu verformen oder dessen Bewegung zu verändern.“<br />
Auf einer Zeichnung oder einem Foto wird eine Kraft durch einen Pfeil (Vektor)<br />
dargestellt. Dieser Pfeil verkörpert die Merkmale einer Kraft, wie zum Beispiel deren<br />
Richtung, Einwirkungspunkt und Stärke.<br />
An dieser Stelle muss nun eine sehr wichtige Bemerkung erfolgen. Die von dir<br />
ausgemachten Kräfte können nämlich in zwei völlig unterschiedliche Kategorien<br />
eingeteilt werden:<br />
Aufgabe<br />
Kennst du noch andere Kräfte?<br />
• Die Reibungskraft, die verhindert, dass du mit deinen Schuhen ausrutschst.<br />
• Die Druckkraft des Windes, durch welche die Segel eines Schiffes aufgebläht werden.<br />
• Die als „Auftriebskraft“ bekannte Kraft, mit deren Hilfe du nicht untergehst, wenn du im Schwimmbad den „toten Mann“ machst.<br />
14
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE SCHWERKRAFT-<br />
DIE GEWICHTSKRAFT<br />
Beobachtungen<br />
Warum schwebst du nicht in der Luft? Wie kommt es, dass du vom höchsten Punkt des „High Fall“ sofort wieder hinunterfällst?<br />
Denke noch einmal an die eben erwähnten wahren Kräfte und daran, dass immer dann von einer solchen Kraft gesprochen wird, wenn du<br />
von etwas oder jemandem gezogen oder geschoben wirst. Doch genau das kommt einem hier seltsam vor, gibt es hier doch gar nichts, was<br />
in irgendeiner Form auf dich einwirken könnte...<br />
Definitionen<br />
Die Experimente von Galilei führten zu der Entdeckung, dass sich alle Körper Gegenseitig anziehen. Dabei handelt es sich um eine<br />
Kraft, die aus der Ferne wirkt und „Gravitationskraft“ genannt wird. Dies gilt insbesondere für alle Gegenstände und Personen auf<br />
der Erde, die von eben dieser angezogen werden. In diesem Fall spricht man von Schwerkraft oder Gewichtskraft.<br />
Resultat<br />
„Alle Objekte sind einer Beschleunigung in Richtung Erdschwerpunkt ausgesetzt.“<br />
Die Richtung der Kraft steht senkrecht auf der Erdoberfläche (dies ist auch die Richtung des vom Maurer oder Maler verwendeten Senkbleis).<br />
Die Schwerkraft gibt es übrigens auf allen Planeten, allerdings – und darauf wird gleich hingewiesen – mit einer unterschiedlichen Stärke.<br />
Noch einmal zur Erinnerung: Gewichtskraft = Masse x g<br />
Masse = dein Gewicht (z. B. 40 kg) oder das Gewicht eines beliebigen Gegenstandes g = Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft<br />
= 9,809 m/s 2 in Berlin, Paris oder Brüssel.<br />
Nicht vergessen: da es sich bei der Gewichtskraft um eine Kraft handelt, wird diese in N(ewton) und nicht in kg gemessen. Dennoch wirst du<br />
feststellen, dass Kilogramm im Alltag noch oft als Maßeinheit für Gewicht verwendet wird. Ein Kilogramm ist das in Paris von einer Masse<br />
von 1 kg gemessene Gewicht. Eine Personenwaage, von der ihr wahrscheinlich eine zu Hause habt, misst das Gewicht in Kilogramm – daher<br />
kommt auch die mögliche Verwechslung zwischen Masse und Gewicht.<br />
Unten stehende Tabelle soll dir als kleine Gedächtnisstütze dienen:<br />
Größe Einheit Messinstrument Eigenschaft<br />
Masse Kg Balkenwaage Ortsunabhängig<br />
Gewicht N Dynamometer Ortsabhängig<br />
1 kg = 10 N Personenwaage<br />
Aufgabe<br />
In Paris beträgt die auf die Schwerkraft zurückzuführende Fallbeschleunigung (g) 9,809 m/s 2 , während sich am Äquator lediglich auf 9,78 m/s 2<br />
beläuft. Welches Gewicht hätte eine Masse von 30 kg an diesen beiden Orten? Gib die Gewichtskraft in Newton und dann in kg an.<br />
Antwort<br />
Eine Masse von 30 kg besitzt in Paris ein Gewicht von 30 kg, d.h. (30 x 9,809)<br />
N(ewton) oder 294,27 N. Dagegen beläuft sich das Gewicht dieser Masse am Äquator (g = 9,78 m/s 2 ) auf (30 x 9,78) N = 293,4 N<br />
oder 30 x (9,78 : 9,809) kg = 29,94 kg. Damit ist diese Masse am Äquator leichter als in Paris. Die Abweichungen des Werts g<br />
sind auf der Erde von einem Ort zum andern recht gering. Ein guter Näherungswert ist deswegen: 1 kg = 10 N<br />
15
Der Wert g (Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft)<br />
Auf der Erde beträgt die Fallbeschleunigung g etwa 10 m/s 2 . Wenn du dich zum<br />
Beispiel im Fallen befindest und die Reibungskräfte der Luft unberücksichtigt lässt,<br />
erhöht sich deine Geschwindigkeit in jeder verstrichenen Sekunde um 10 m/s.<br />
Die Gewichtskraft hängt also von dem ab, was gerade definiert wurde, und zwar:<br />
• von der Masse des Körpers, welcher der Anziehungskraft ausgesetzt ist (z. B. ich selbst oder<br />
ein Elefant),<br />
• von der Höhe, in der du dich befindest (auf Meereshöhe oder auf der Zugspitze),<br />
• vom geografischen Breitengrad in deiner Nähe (z. B. am Nordpol oder am Kap Kennedy<br />
in Florida),<br />
• vom Planeten (Masse), auf dem du bist und dessen Schwerkraft auf dich einwirkt (z.B. Erde oder Mars).<br />
Erweitere dein Wissen!<br />
• Ein Blick auf die Tabelle verrät dir, dass sich der Wert g für eine Masse (z. B. für deine Masse von 35 kg) je nach Ort folgendermaßen ändert:<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
4.<br />
Ort Wert für g Gewichtskraft<br />
Berlin, Paris oder Brüssel 9,809 m/s 2 343,315 N(ewton)<br />
Montblanc 9,806 m/s 2 343,210 N(ewton)<br />
Heißluftballon in 10.000 Meter Höhe 9,805 m/s 2 343,178 N(ewton)<br />
Nordpol (in der Ebene) 9,832 m/s 2 344,120 N(ewton)<br />
Äquator (in der Ebene) 9,780 m/s 2 342,300 N(ewton)<br />
Mond (in der Ebene) 1,670 m/s 2 58,450 N(ewton)<br />
Venus (in der Ebene) 8,870 m/s 2 310,450 N(ewton)<br />
Mars (in der Ebene) 3,720 m/s 2 130,200 N(ewton)<br />
Deine Personenwaage zu Hause misst die Gewichtskraft und nicht die Masse! Wo müsstest du dich also gemäß oben stehender<br />
Tabelle wiegen, damit du zumindest den Eindruck hast, ganz leicht zu sein oder vielleicht stark abgenommen zu haben?<br />
Antwort<br />
Auf dem Mond<br />
Du hast schon bemerkt, dass die Schwerkraft auf dem Mond etwa ein Sechstel der Erdanziehungskraft beträgt. Nehmen wir an, dass<br />
du im Sportunterricht auf der Erde eine Höhe von 1,20 m überspringen kannst. Wie hoch könntest du auf dem Mond springen?<br />
Antwort<br />
Sechs mal höher, also 7,2 m<br />
Sicherlich hast du schon einmal Bilder von Astronauten gesehen, die auf dem Mond umhergehen. Warum hüpfen die Astronauten, um sich<br />
fortzubewegen?<br />
Antwort<br />
Da die Schwerkraft auf dem Mond viel geringer ist als auf der Erde, kann man durch kleine Sprünge viel größere Entfernungen<br />
überwinden und ermüdet dabei nicht so schnell. Denke hierbei nur an Kängurus.<br />
Wusstest du schon, dass die Wissenschaft, welche die örtlichen Veränderungen der Schwerkraft untersucht, Gravimetrie heißt?<br />
Kannst du Erde, Mond, Mars und Venus gemäß oben stehender Tabelle nach ansteigender Masse ordnen?<br />
Antwort<br />
Mond, Mars, Venus, Erde.<br />
16
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DER FREIE FALL<br />
Beobachtungen<br />
Du möchtest unbedingt den „High Fall“, einen Freifallturm, ausprobieren,<br />
weil du dort angeblich die unvergessliche Erfahrung des freien Falls machen<br />
kannst. Doch Moment: was ist eigentlich der freie Fall?<br />
Ein Objekt im freien Fall bewegt sich nur unter dem Einfluss der<br />
Schwerkraft fort.<br />
Es war Galilei, der als Erster vom Konzept des freien Falls sprach.<br />
Diese Attraktion umfasst drei ganz unterschiedliche Fahrtabschnitte<br />
• Die Fahrt bis zur Spitze des Turms. Auf die Fahrgastgondel wirkt eine Kraft ein, die sie ganz nach oben bringt. Die Größe der dazu<br />
notwendigen Kraft hängt von der Masse der Gondel und ihrer Passagiere ab. Die Kraft wird durch Motoren übertragen, wobei für<br />
Schwankungen hinsichtlich Gewicht und Fahrgastzahl eine Toleranz besteht.<br />
• Kurzes Verharren auf der Turmspitze. Hierbei bleiben die Fahrgäste für einen Moment „in der Luft.“<br />
• Die tollkühne „Abwärtsfahrt“...<br />
Wodurch spürst du auf der Erde die Anziehungskraft?<br />
Um die Erdanziehungskraft unmittelbar zu spüren, musst du immer mit einem anderen Objekt in Kontakt sein,<br />
wie z. B. dem Boden, auf dem du stehst, oder dem Stuhl, auf dem du sitzt usw. Objekte wie Boden und Stuhl<br />
üben auf dich eine Kraft aus, die man „Reaktionskraft“ nennt. Wenn du auf einem Stuhl sitzt, wirken zwei<br />
Kräfte auf dich. Die Gravitationskraft der Erde zieht dich an, während dich der Stuhl mit einer gleich großen<br />
entgegengesetzt orientierten Kraft nach oben drückt.<br />
Infolgedessen hast du bei allen Attraktionen, wo eine solche Reaktionskraft fehlt, ein Gefühl der Schwerelosigkeit<br />
- du fühlst dein Gewicht nicht mehr.<br />
Genauso kommt es auch zu einem Eindruck der Schwerelosigkeit,<br />
wenn du eine Bewegung in Form des freien Falls ausführst:<br />
• beispielsweise bei einer Fahrt mit der Bandit-Achterbahn.<br />
• aber auch bei allen anderen Attraktionen mit Berg- und Talfahrten, zum Beispiel „Mad Manor”-<br />
Achterbahn, deren Form genaustens berechnet wurde.<br />
17
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
KRÄFTE BEI GRADLINIG<br />
BESCHLEUNIGTEN BEWEGUNGEN<br />
Beobachtungen<br />
Was bedeutet es, wenn du in einer Attraktion einer Kraft von 4 G ausgesetzt bist?<br />
Ganz einfach: dies ist die Kraft, die du im Vergleich zu deinem Gewicht auf der Erde spürst.<br />
Ort G Deine Empfindungen<br />
Erde 1 Du spürst dein Gewicht einmal.<br />
Mond 1:6 Du spürst nur ein Sechstel deines Gewichts.<br />
Schwerelosigkeit 0 Du spürst überhaupt nichts, denn du schwebst.<br />
Sonne 30 Dein Gewicht wäre dreißig mal so hoch. Du kämst dir erdrückt vor.<br />
Wenn du eine Fahrt mit bestimmten Attrakionen unternimmst, kannst du Veränderungen der G-Kraft wahrnehmen:<br />
• Wenn du beim Start nach oben geschossen wirst, fühlst du dich an deinen Sitz gedrückt. Die wahrgenommene Kraft (Reaktion deines Sitzes<br />
auf dich) ist höher als dein Gewicht: G >1. Zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht diese Kraft fast dem Zweifachen deines Gewichts: G = 2.<br />
• Sobald dein Sitz wieder nach unten fällt, hast du das Gefühl, du würdest gar nicht mehr in ihm sitzen. Das bedeutet, dass G abnimmt.<br />
Und zu einem anderen Zeitpunkt spürst du deinen Sitz überhaupt nicht mehr – du empfindest ein Gefühl der Schwerelosigkeit, in der G = 0 ist.<br />
Die auf dich einwirkende Kraft g= die auf die Schwerkraft Gewicht= deine Masse x g<br />
G = Gewichtskraft<br />
zurückzuführende<br />
Beschleunigung<br />
Halten wir fest, dass ein zu großer G-Wert zu Problemen wie z. B. Bewusstlosigkeit führen kann. Bei den Attraktionen liegt der Wert von G meist unter 4.<br />
Aufgabe<br />
1.<br />
2.<br />
Stell dir vor, du würdest in einem Wagen sitzen, der sich in einer horizontalen Ebene fortbewegt. Der Wagen wäre nun einer<br />
Beschleunigung von 20 m/s/s (20m/s2) ausgesetzt. Welchen Wert hätte G?<br />
Antwort<br />
g = 10 m/s/s G = (20 : 10) = 2<br />
Stell dir vor du wirst so sehr nach oben katapultiert, dass du innerhalb von zwei Sekunden eine Geschwindigkeit von 72<br />
km/h erreichst. Beziehe dich auf die vorher erwähnte Beschleunigungsformel und berechne die nach oben verlaufende<br />
Beschleunigung, der du ausgesetzt bist. Zu welchen Schlüssen kommst du hinsichtlich des G-Wertes?<br />
Antwort<br />
Erreichte Geschwindigkeit = 72 Km/h = 20 m/s. Durchschnittsbeschleunigung = a = (20 : 2) m/s = 10 m/s = g. Die Attraktion<br />
gibt dir eine Beschleunigung die gleich und entgegengesetzt der auf die Schwerkraft zurückzuführenden Beschleunigung ist.<br />
18
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE SCHWERELOSIGKEIT<br />
Beobachtungen<br />
Wenn du von einem Tag im „Movie Park Germany zurückkehrst, werden dich deine Freunde<br />
sicherlich fragen, wie es für dich war, vom höchsten Punkt der Holzachterbahn „Bandit“ nach<br />
unten zu „brettern“ oder bei „N.Y.C. Transformer“ mehrere Überschläge hintereinander zu<br />
erleben. Was wirst du ihnen dann erzählen können und vor allem: wie wirst du ihnen erklären,<br />
wie das von dir empfundene Gefühl der Schwerelosigkeit zu Stande kommt?<br />
Wirkliche Schwerelosigkeit besteht nur dann, wenn man nicht mehr der<br />
Erdanziehungskraft ausgesetzt ist.<br />
Wie kann man in eine solche Situation kommen?<br />
Es gibt verschiedene Arten Schwerelosigkeit zu empfinden:<br />
• Man muss sich dafür beispielsweise weit genug von jedem Planeten und der Sonne entfernen, sodass ihre Anziehungskraft gleich null ist.<br />
• Man kann sich aber auch in vertikaler Richtung nach oben oder nach unten katapultieren lassen. Sobald man sich vom Katapult gelöst hat,<br />
empfindet man Schwerelosigkeit.<br />
• Oder man fährt auf einer „Berg- und Talbahn“ mit einer ganz besonderen Form.<br />
Im Movie Park Germany wurden selbstverständlich die letzten beiden Lösungen gewählt; denn obwohl man dabei der Erdanziehungs- bzw.<br />
der Schwerkraft ausgesetzt bleibt, hat man den Eindruck, sie nicht mehr zu fühlen.<br />
Erweitere dein Wissen!<br />
Um das alles zu verstehen, muss man sich zwei Sachverhalte vor Augen führen:<br />
1. Das Trägheitsprinzip.<br />
2. Der Sitz wird von Schienen fest gehalten, während du scheinbar an deinem Sitz nicht befestigt bist. Deswegen befindest du dich manchmal im freien Fall.<br />
Auf den Türmen:<br />
Stell dir vor, dein Sitz wird nach oben geschossen und<br />
plötzlich abgebremst .Auf Grund deiner Trägheit hebst<br />
du von deinem Sitz ab und spürst für einen kurzen<br />
Moment dein Gewicht nicht mehr, weil du den Sitz nicht<br />
mehr berührst. G ist jetzt fast gleich null. Deswegen<br />
empfindest du ein Gefühl der Schwerelosigkeit.<br />
Dein Sitz wird nach unten katapultiert und erfährt eine<br />
Beschleunigung von etwas über g (10 m/s2). Dagegen<br />
entspricht deine Beschleunigung genau g. Folglich fällt<br />
dein Sitz schneller nach unten als du. Du hebst von deinem<br />
Sitz ab und hast einen Augenblick lang das Gefühl zu<br />
schweben.<br />
Auf den Attraktionen mit Berg- und Talfahrten:<br />
Wenn du am höchsten Punkt ankommst, folgt der Wagen der ihm vorgegebenen Fahrstrecke. Dir jedoch<br />
ergeht es auf Grund deiner Trägheit wie der Kugel, die von einem Tisch heruntergeworfen wird. Du hebst von<br />
deinem Sitz ab und empfindest für einen kurzen Moment ein Gefühl der Schwerelosigkeit.<br />
Deswegen erhalten Achterbahnen eine Form, die der Flugbahn einer heruntergeworfenen Kugel entspricht (siehe nebenstehende<br />
Zeichnung). Die besondere Krümmung der Berg- und Talfahrten wird als „Parabolform“ bezeichnet.<br />
Die Form der Berg- und Talfahrten wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Zug über die Erhebungen der Achterbahnen fährt.<br />
19
Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium<br />
DIE FLIEH- UND<br />
DIE ZENTRIPETALKRAFT<br />
Deine Wahrnehmungen<br />
Du hast dich zu einer Fahrt mit der „Mad Manor Achterbahn“<br />
entschlossen. Schon in der ersten Kurve rutschst du auf deinem<br />
Sitz hin und her und wirst zur Seite gedrückt. Bei der nächsten<br />
Kurve, die in entgegengesetzte Richtung verläuft, gleitest du auf<br />
die andere Seite des Sitzes. Wie ist das zu erklären?<br />
In der einer Achterbahn fühlst du dich manchmal regelrecht<br />
an deinen Sitz gepresst, ab und zu hast du sogar den Eindruck,<br />
herausgeschleudert zu werden.<br />
Bei einer Fahrt mit dem „Side Kick“ kommt es dir so vor, als würdest<br />
du mit zunehmender Geschwindigkeit in deinen Sitz gepresst.<br />
Und wieder stellt sich die Frage, was hier eigentlich passiert, wo du doch<br />
von niemandem gedrückt oder gezogen wirst.<br />
Je nach Attraktion unterscheiden sich die durch die Fliehkraft hervorgerufenen<br />
Wahrnehmungen. Im Looping der Achterbahn wirst du durch die Fliehkraft beispielsweise<br />
in deinen Sitz gepresst, während du im MP XPress-Achterbahn durch die Fliehkraft von deinem<br />
Sitz gerissen wirst und deine Beine nach unten ins Leere baumeln.<br />
Definitionen<br />
Wenn du dich noch einmal an die Wahrnehmungen während der Fahrten mit<br />
den Attraktionen des Movie Parks Germany erinnerst, kannst du bereits<br />
feststellen, dass die Fliehkraft von folgenden Faktoren abhängt:<br />
• der Rotationsgeschwindigkeit. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit,<br />
desto stärker ist die einwirkende Kraf t.<br />
• dem Radius der Kreisbahn. Je größer der Radius der Ebene,<br />
der Kurve oder des Loopings, desto intensiver ist die Kraft, wenn die<br />
Rotationsgeschwindigkeit gleich bleibt.<br />
• der Masse des rotierenden Objekts. Je größer die Masse,<br />
desto stärker ist die Kraft.<br />
20
Aufgabe<br />
• Beschreibe alle deine Wahrnehmungen, wenn du<br />
durch einen Looping fährst.<br />
• Versuche einmal genau nachzuvollziehen, was bei einer<br />
Fahrt auf den lustigen Figuren des „Movie Crew Carousel“<br />
geschieht. Musst du dich an der Stange festhalten? Warum?<br />
• Bei einer Fahrt mit einem „Riesenrad“ bist du ebenfalls einer<br />
Rotationsbewegung ausgesetzt. Doch hast du dabei den Eindruck, gezogen<br />
oder zusammengedrückt zu werden? Denke noch einmal an die Merkmale<br />
der soeben beschriebenen Fliehkraft und versuche, deine Wahrnehmungen zu erklären.<br />
Antwort<br />
Da sich das „Riesenrad“ langsam dreht, ist die Fliehkraft sehr schwach. Folglich kann man sie nicht spüren. Die Gondeln bleiben<br />
immer vertikal ausgerichtet. Dies ist allerdings beim „Kettenkarussell“ oder der „Enterprise“ ganz anders.<br />
• Was meinst du: warum weisen Kurven eine Neigung bzw. Steigung auf?<br />
Antwort<br />
Zur Verringerung der Wirkung der Fliehkraft bzw. damit man in den Kurven weniger nach außen gedrückt wird<br />
Einige Anmerkungen zur Zentripetalkraft<br />
Nehmen wir ein Beispiel.<br />
Wenn du in eine Kurve von „Mad Manor“ fährst, neigst du auf Grund deiner Trägheit dazu, deine geradlinig<br />
verlaufende Fahrtrichtung beizubehalten.<br />
Deine Trägheit möchte dich an der Kurvenfahrt hindern. Deswegen gleitest du von deinem Sitz in Richtung des<br />
äußeren Teils der Kurve. Dies ist die Wirkung der gerade beschriebenen Fliehkraft.<br />
Glücklicherweise wirst du vom Fahrgestell festgehalten; hierbei wirkt die so genannte „Triebkraft“ auf dich ein. Dank<br />
dieser Triebkraft machst du in Kurven die Bewegung des Wagons mit.<br />
Bei dieser Kraft handelt es sich um die von dem Wagon auf dich ausgeübte<br />
Rückwirkung. Der Wagon reagiert auf die Druckkraft, die der Fliehkraft entspricht,<br />
die du auf den Wagon ausübst, wenn du mit ihm in Kontakt bist. Man<br />
sagt, dass diese Kraft entgegen der Fliehkraft wirkt (dabei ist sie genauso<br />
stark wie die Fliehkraft und verläuft in die gleiche, aber entgegengesetzte<br />
Richtung). Infolgedessen wird sie als „Zentripetalkraft“ bezeichnet.<br />
21
Einige Anmerkungen zur Fliehkraft<br />
Die Bewegung in einem Looping, in dem die Bewegung nicht künstlich hervorgerufen wird<br />
(tatsächlich fahren die Wagen dort ohne Motor oder ohne gezogen zu werden), verdient besondere<br />
Beachtung. Halten wir fest, dass sich die Geschwindigkeit an jedem Punkt des Loopings<br />
verändert. Ganz unten erreicht sie ihren Höchstwert, während sie ganz oben minimal ist. In<br />
diesem Fall kommt zur Fliehkraft noch eine andere „Scheinkraft“ oder Trägheitskraft Ft hinzu,<br />
die senkrecht zur Fliehkraft verläuft. Diese neue Kraft ist die Tangente zur Kreisbahn.<br />
Damit ist der Wagen zwei wahren Kräften ausgesetzt, der Gewichtskraft<br />
(G) und der Reaktionskraft der Schienen (R); darüber hinaus muss er zwei<br />
Trägheitskräften, der Fliehkraft (Fcf) und der tangenzialen Beschleunigungskraft<br />
(Ft), standhalten.<br />
Aufgabe<br />
Kannst du nun mit Hilfe der soeben erklärten Begriffe (Gewicht, Fliehkraft, die Pfeile zur<br />
Darstellung von Kräften) beschreiben und erklären, was du fühlst, wenn du durch einen Looping<br />
der einer Achterbahn fährst?<br />
Versuche deine Wahrnehmungen zum Ausdruck zu bringen und greife dabei auf den G-Wert zurück.<br />
Worin unterscheiden sich deine Wahrnehmungen am höchsten und tiefsten Punkt des Loopings?<br />
Antwort<br />
Die ganze Zeit bist du zwei wahren Kräften ausgesetzt, deinem Gewicht (P) und der Reaktion deines Sitzes (R). Außerdem wirkt<br />
eine Scheinkraft, die Fliehkraft, auf dich ein. Nachfolgend wird erklärt, dass es in dieser Bewegung noch eine zweite zu<br />
berücksichtigende Scheinkraft gibt.<br />
Vergegenwärtige dir noch einmal, dass – wie es im Zusammenhang mit der Schwerelosigkeit bereits gesagt wurde – alle deine Empfindungen<br />
von der Reaktionskraft deines Sitzes (R) abhängen.<br />
Da du dich nicht bewegst und dich auf deinem Sitz im Gleichgewicht befindest, werden<br />
die zwei wahren Kräfte von einer Scheinkraft, der Fliehkraft (Fcf), ausgeglichen.<br />
22
Unter Berücksichtigung der Ausrichtung der Kräfte an<br />
jedem Punkt heißt das für den tiefsten Punkt des<br />
Loopings:<br />
Reaktionskraft = Fliehkraft + Gewichtskraft<br />
Für den höchsten Punkt gilt:<br />
Reaktionskraft = Fliehkraft – Gewichtskraft<br />
Also:<br />
Am tiefsten Punkt des Loopings,nimmst du eine nach unten ausgerichtete Kraft wahr, die stärker<br />
ist als dein Gewicht, sodass du in deinem Sitz zusammengedrückt wirst (G > 1).<br />
Am höchsten Punkt des Loopings, nimmst du eine von der Geschwindigkeit an diesem Punkt abhängende Kraft wahr. Wenn die Fliehkraft<br />
deinem Gewicht entspricht, ist die Reaktion deines Sitzes fast null (G = 0) - du hast das Gefühl, dich in der Schwerelosigkeit zu befinden.<br />
Wenn du mit dem „Kettenkarussell“ fährst, hast du ähnliche Wahrnehmungen wie bei einer Fahrt mit dem „MP XPress“. Versuche, beide<br />
miteinander zu vergleichen und sie zu beschreiben.<br />
Aufgabe<br />
Was bewirkt beim Kettenkarussell, dass die Ketten bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit immer weiter nach außen schwingen?<br />
Antwort<br />
Dies ist auf die Fliehkraft zurückzuführen, die den Sitz außerhalb des dargestellten Kreises zieht. Je stärker die Drehung, desto<br />
höher die Fliehkraft.<br />
23
• ANREISE AUS DEN NIEDERLANDEN<br />
Von Arnheim über die A3 bis zum Kreuz Oberhausen. Weiter auf der A2 Richtung Hannover<br />
bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A 31 Richtung Emden bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord.<br />
Dann der Beschilderung folgen.<br />
• ANREISE AUS DEM NORDEN<br />
Großraum Hamburg/Bremen: Über die A1 bis Münster, am Kreuz Münster-Süd auf die A43<br />
bis zum Kreuz Recklinghausen, hier auf die A2, Richtung Oberhausen, bis zur A31, dann<br />
weiter Richtung Emden, bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord.<br />
• ANREISE AUS DEM OSTEN<br />
Über die A2 Richtung Oberhausen bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A31 Richtung Emden<br />
bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Dann der Beschilderung folgen.<br />
• ANREISE AUS DEM SÜDEN<br />
Großraum München/Stuttgart: Auf der A8 bis Karlsruhe, weiter auf der A5 bis Frankfurt,<br />
hier auf die A3 Richtung Köln/Oberhausen bis zum Kreuz Oberhausen, hier auf die A2,<br />
Richtung Hannover, bis zur A31, dann Richtung Emden bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord.<br />
• ANREISE AUS DEM WESTEN<br />
Von Aachen/Belgien: A44/A46 bis Anschlusstelle Neuss-West. Dort auf die A57 Richtung<br />
Neuss, bis Kamp Lintfort, dann weiter über die A42, Richtung Dortmund, bis zum<br />
Autobahnkreuz Oberhausen-West, weiter auf die A3 bis zum Kreuz Oberhausen, dann auf<br />
die A2, Richtung Hannover, bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A 31 Richtung Emden, bis<br />
zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Dann der Beschilderung folgen.<br />
Arnheim<br />
Amsterdam<br />
AB-Kreuz<br />
Oberhausen<br />
Emden<br />
Dorsten<br />
Kirchhellen-Nord<br />
Ausfahrt nr.39<br />
AB-Kreuz<br />
Bottrop<br />
Bottrop<br />
Oberhausen<br />
Düsseldorf<br />
Köln<br />
Gladbeck<br />
Essen<br />
Marl<br />
Gelsenkirchen<br />
Bochum<br />
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Wuppertal<br />
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