Kraft
Kraft
Kraft
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d.h.<br />
Das sollte ich unbedingt wissen!<br />
Betrifft Klasse 10 (G8)
Einheiten<br />
• Länge<br />
• mm, cm, dm, m, km<br />
• Volumen<br />
• mm 3 , cm 3 , m 3 , Liter<br />
• Geschwindigkeit<br />
• m/s km/h<br />
• Beschleunigung<br />
• m/s 2
Impuls<br />
Geschwindigkeit und Masse kennzeichnen die<br />
Bewegung eines Körpers und deren mögliche<br />
Folgen.<br />
• Definiere Impuls als gerichtete Größe p = m ⋅ v<br />
ordne also jedem Körper einen Impulspfeil zu.<br />
• Gerechnet wird betragsmäßig mit p = m ⋅ v<br />
• Einheit kg⋅m<br />
s
Impuls und <strong>Kraft</strong><br />
Eine <strong>Kraft</strong> kann den Impuls ändern.<br />
Die Schubkraft F kann lang oder kurz wirken, sie<br />
kann stark oder schwach wirken – je nachdem<br />
hat die Rakete nachher mehr (oder weniger)<br />
Impuls, also gilt für den Impuls<br />
(bzw. die Impulsänderungsänderung )<br />
p~t und p~F<br />
und damit p = F ⋅ t<br />
Wenn keine <strong>Kraft</strong> wirkt, behält ein Körper seinen Impuls.<br />
Man spricht auch von „Trägheit“, wenn z. B. ein Mensch bei einer<br />
Kurvenfahrt nach „außen“ gedrängt wird und eben seine Geschwindigkeit<br />
(auch richtungsmäßig!) beibehalten will.<br />
F
Beschleunigung<br />
Mit den Überlegungen von vorher gilt zusammengefasst:<br />
m ⋅ v<br />
m ⋅ v = F ⋅ t ⇒ F =<br />
t<br />
Darin steckt v . Dieser Quotient gibt an, um wie viel die<br />
t<br />
Geschwindigkeit v eines Körpers zu- oder abnimmt,<br />
wenn während der Zeit t die <strong>Kraft</strong> F wirkt. Man nennt<br />
v<br />
t<br />
= a die Beschleunigung.<br />
(Wenn eine solche Bewegung nicht bei Null beginnt,<br />
schreibt man Δv und Δt für Geschwindigkeits- bzw. Zeit-<br />
Veränderung.)
Aufgrund der obigen Zusammenhänge definiert man:<br />
die KRAFT-Einheit so:<br />
1 Newton ist die <strong>Kraft</strong>,<br />
die 1 kg in 1 s auf 1 m/s beschleunigt,<br />
also 1 kg mit 1 m/s 2 beschleunigt.<br />
Die GEWICHTSKRAFT eines Körpers beschleunigt ihn<br />
mit ,<br />
also gehört zu 1 kg die Gewichtskraft 9,81 N.<br />
Außerdem gilt der Zusammenhang<br />
F = m ⋅ a (3.Newtonsches Gesetz)<br />
bzw. speziell für die Gewichtskraft G = m ⋅ g
Kräfte zusammensetzen<br />
a<br />
a<br />
b<br />
a + b<br />
b<br />
Die <strong>Kraft</strong>pfeile a und b werden zusammengesetzt<br />
(addiert), indem man den Anfang des zweiten an die<br />
Spitze des ersten (parallel verschoben) ansetzt. Das<br />
Ergebnis ist der <strong>Kraft</strong>pfeil a + b, der vom Anfang des<br />
ersten zur Spitze des zweiten geht.<br />
Das geht auch mit drei, vier … <strong>Kraft</strong>pfeilen.
Kräfte zerlegen<br />
Bei der schiefen Ebene z. B. bewirkt die Gewichtskraft G, dass der Körper<br />
einen „Hangabtrieb“ F H erfährt und dass er mit der „Normalkraft“ F N auf<br />
die schiefe Ebene (senkrecht zu deren Oberfläche) drückt.<br />
REZEPT: G wird in die sinnvollen <strong>Kraft</strong>richtungen zerlegt, indem man<br />
diese Richtungen durch den Anfang und durch die Spitze des <strong>Kraft</strong>pfeils<br />
durchzeichnet und damit die „Komponenten“ findet.<br />
F H<br />
G<br />
F N
Reibungskraft<br />
Wenn der graue Gegenstand auf der rauen<br />
Unterlage nach rechts gezogen werden soll, so<br />
geht das umso schwerer je rauer die Fläche ist<br />
und je größer die <strong>Kraft</strong> F N ist, mit der die<br />
Unterseite der Kiste auf die Unterlage drückt.<br />
Je nachdem also besteht eine hemmende, also<br />
der Bewegung entgegen gesetzt gerichtete<br />
Reibungskraft F R . Sie ist proportional zu<br />
F N , also F R ~F N . Der Proportionalitätsfaktor<br />
f R richtet sich nach der Oberflächenbeschaffenheit.<br />
Zusammen gilt F R = f R F N<br />
Will man die Kiste mit konstanter Geschwindigkeit nach rechts bewegen, so<br />
muss man dazu genau den Betrag dieser Reibungskraft nach rechts<br />
aufbringen. Um die Kiste zu beschleunigen, muss F größer als F R sein.
Schubkraft<br />
F = m⋅v<br />
t<br />
⇒<br />
F = m t ⋅ v<br />
Jetzt sieht die altbekannte Formel anders aus und bekommt eine andere<br />
Bedeutung:<br />
m<br />
ist der „Durchsatz“ D, d. h. die<br />
t<br />
pro Sekunde aus der Rakete<br />
ausgeströmte Materie<br />
(also die Verbrennungsgase)<br />
und v ist Ausströmgeschwindigkeit.<br />
Die Schubkraft ist demnach<br />
F S = D ⋅ v<br />
Die beschleunigende <strong>Kraft</strong> F einer senkrecht nach oben startenden Rakete ist<br />
F = F S − G.<br />
Die Beschleunigung der Rakete ist a = F = F S−G<br />
− g mit<br />
m<br />
m<br />
= F S−mg<br />
m<br />
= F S<br />
m<br />
m = m o − D ⋅ t.<br />
Weil die Masse der Rakete immer kleiner wird, nimmt die Beschleunigung zu.
Die Newtonschen Gesetze<br />
• 1.Newtonsches Gesetz (Trägheitsgesetz): Ein Körper<br />
verändert seine Geschwindigkeit nur, wenn eine <strong>Kraft</strong><br />
auf ihn wirkt.<br />
• 2.Newtonsches Gesetz: F = m ⋅ a<br />
• 3.Newtonsches Gesetz: Wenn ein Körper auf einen<br />
anderen eine <strong>Kraft</strong> ausübt, so wirkt diese <strong>Kraft</strong> in<br />
gleicher Größe auf ihn zurück.<br />
„actio = reactio“ oder: „Wechselwirkungsgesetz“
Bewegungsarten (geradlinig)<br />
Bewegung mit gleichförmiger Geschwindigkeit<br />
v = s t<br />
s = v ⋅ t<br />
gleichförmig beschleunigte Bewegung aus der Ruhe heraus<br />
v = a ⋅ t<br />
s = 1 a ⋅ t2<br />
2<br />
gleichförmig beschleunigte Bewegung mit<br />
Anfangsgeschwindigkeit<br />
v = v o + a ⋅ t<br />
s = v o ⋅ t + 1 a ⋅ t2<br />
2
Spezielle Bewegungsarten<br />
Freier Fall: v = gt s = 1 2 gt2<br />
Wurf nach oben v = v o − gt s = v o − 1 2 gt2<br />
Wurf nach unten v = v o + gt s = v o + 1 2 gt2<br />
waagrechter Wurf und schiefer Wurf<br />
v = v 0 + gt s = v 0 ⋅ t + 1 2 gt2 vektorielle Addition
Diagramme - welche Art der Bewegung <br />
Links: beschleunigte Bewegung aus der Ruhe heraus im v-t-Diagramm<br />
Rechts: beschleunigte Bewegung mit Anfangsgeschwindigkeit im v-t-Diagramm
Diagramme<br />
Links: Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit im s-t-Diagramm<br />
Rechts: beschleunigte Bewegung im s-t-Diagramm
Diagramme<br />
Alle drei beschreiben die beschleunigte Bewegung (mit konstanter<br />
Beschleunigung)
Diagramme<br />
Dieses Diagramm zeigt<br />
die Bahnkurve als x-y-<br />
Diagramm.<br />
Der waagrechte Wurf (Stroboskopbild und Bahnkurve)
Momentangeschwindigkeit
Was tut die Erde<br />
Der Apfel wird zum<br />
Erdmittelpunkt hin<br />
beschleunigt:<br />
v t<br />
= gt<br />
3.Newtonsches Gesetz: actio = reactio<br />
s = 1 2 gt2<br />
Was ist also g <br />
- Fallbeschleunigung,<br />
im Versuch<br />
gemessen mit 9,81 m<br />
Welche <strong>Kraft</strong> wirkt bei diesem Vorgang<br />
s 2<br />
m Δv<br />
m ⋅ Δv = F ⋅ Δt ⇒ F = = ma<br />
Δt<br />
Hier ist a = 9,81 m s2 und F heißt eben G,<br />
also G = mg<br />
Damit wird die zu m gehörige Gewichtskraft G berechnet.
Bremsbewegung<br />
Zuerst unten:<br />
Man sieht, wie die<br />
Geschwindigkeit zunimmt.<br />
Oben: die Anfangsgeschwindigkeit<br />
wird jede<br />
Sekunde kleiner bis sie<br />
„aufgezehrt“ ist und die<br />
Geschwindigkeit 0 ist.
Kreisbewegung<br />
Ein Massenpunkt (an der<br />
Spitze des „Radiusvektors)<br />
braucht die Umlaufszeit T,<br />
um eine Umdrehung, also<br />
die Strecke s = 2πr<br />
zurückzulegen.<br />
Seine (betragsmäßig konstante) Bahngeschwindigkeit ist<br />
also v = Δs<br />
= 2πr<br />
.<br />
t T<br />
Die Drehfrequenz f gibt an, wie viele Umdrehungen der<br />
Massenpunkt in einer bestimmten Zeit macht, also f = n . t<br />
Dazu reicht es aber zu überlegen, dass er eine Umdrehung<br />
in der Zeit T macht, also f = 1 T<br />
Die Winkelgeschwindigkeit ω = ΔΦ = 2π gibt an, welchen Winkel<br />
t T<br />
der Radiusvektor r in einer bestimmten Zeit überstrichen hat.
Kreisbewegung<br />
Ein Massenpunkt auf einer<br />
Kreisbahn braucht eine <strong>Kraft</strong> auf<br />
den Mittelpunkt zu, die die<br />
Richtung seiner<br />
Bahngeschwindigkeit so<br />
verändert, dass eben ein Kreis<br />
entsteht.<br />
Weil die Geschwindigkeit sich<br />
ändert, ist die also beschleunigt.<br />
Der Wert dieser Beschleunigung ist a = v2<br />
, und damit wird mit dem Gesetz<br />
F = m ⋅ a die Formel für die Zentripetalkraft F Z = m⋅v2<br />
.<br />
Ersetzt man v, dann wird F Z = m⋅4π2 r<br />
T 2 daraus. In dieser Formel ist r nicht<br />
mehr in v versteckt und man sieht, dass F Z ~ r ist.<br />
r<br />
r
Kreisbewegung<br />
Von außen betrachtet, genügt die<br />
Zentripetalkraft zur Beschreibung einer<br />
Kreisbahn.<br />
Wenn man aber selber (im beschleunigten<br />
Bezugssystem des Massenpunkts) auf der<br />
Kreisbahn ist, dann empfindet man eine<br />
Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Sie kommt daher,<br />
dass die Trägheit den Körper tangential und also<br />
geradlinig weiter“fliegen“ lassen möchte – das<br />
Bezugssystem ist aber auf der Kreisbahn.<br />
Quelle: Leifiphysik<br />
Zentrifugal- und Zentripetalkraft müssen beim<br />
Rechnen nicht unterschieden werden.
Kräfte bei der Fahrt auf einem kreisförmigen Kurvenabschnitt<br />
Woher kommt die <strong>Kraft</strong> F Z , die dem<br />
Motorrad die Kurvenfahrt ermöglicht<br />
Das Motorrad hat eine Gewichtskraft G.<br />
Es drückt außerdem beim Fahren auf den<br />
Boden (was wiederum durch die Reibung<br />
zustande kommt). Wegen actio = reactio<br />
drückt der Boden zurück auf das Motorrad<br />
mit der Bodendruckkraft F B .<br />
F B und G greifen beide am Motorrad an<br />
und setzen sich zu einer resultierenden<br />
<strong>Kraft</strong> zusammen, die dann als<br />
Zentripetalkraft F Z je nach Neigung des<br />
Motorrads eine enge oder eine weite Kurve<br />
zulässt.<br />
Quelle: Leifiphysik
Energie und Impuls - Grundsätzliches<br />
In der klassischen Mechanik ist die Energie eines Systems<br />
eine Zustandsgröße, die seine Fähigkeit, Arbeit zu<br />
verrichten, beschreibt. Die Arbeit wandelt Energie zwischen<br />
verschiedenen Energieformen um.<br />
Impuls ist eine Zustandsgröße, die den Bewegungszustand<br />
und die Bewegungseigenschaften zu einem bestimmten<br />
Zeitpunkt beschreibt.<br />
Der Unterschied wird deutlicher, wenn man die Änderung<br />
dieser Größen anschaut:<br />
Wenn die Energie eines Systems sich in der Zeit t ändert, ist<br />
„Energie pro Zeit“ geflossen, also eine Leistung.<br />
Wenn der Impuls eines Systems sich in der Zeit t ändert, dann<br />
war die <strong>Kraft</strong> F = Δp<br />
dazu nötig.<br />
Δt
Energie und Energieerhaltung<br />
Mechanische Energieformen:<br />
Höhenenergie W H (auch „Lageenergie“)<br />
Bewegungsenergie W B<br />
Spannenergie W Sp (einer Spiralfeder)<br />
W H = mgh<br />
W B = 1 2 mv2<br />
Energiezustände können sich umwandeln.<br />
W Sp = 1 In der Abbildung wird aus W H (in 1) W B (in 2)<br />
2 Ds2<br />
und dann wieder W H (in 3).<br />
Auch wenn normalerweise durch Reibung<br />
„Innere Energie“ (Wärme) in die Fahrbahn<br />
oder in die Luft geht (sich „verkrümelt“),<br />
so gilt im Idealfall doch der Energieerhaltungssatz: Die Summe aus Höhen-<br />
Bewegungs- und Spannungsenergie ist in einem abgeschlossenen System immer<br />
gleich groß.
Impulserhaltung<br />
Aus dem Newtonschen Wechselwirkungsgesetz<br />
ergibt sich grundsätzlich,<br />
dass zwei Körper, die vor ihrer<br />
Wechselwirkung die Impulse m 1 v 1 und<br />
m 2 v 2 mitbringen, also die Impulssumme<br />
m 1 v 1 + m 2 v 2 , haben nachher die Impulse<br />
m 1 u 1 + m 2 u 2 und diese Summe ist gleich<br />
groß wie die Summe vorher.<br />
Diese Überlegung gilt auch dann, wenn beim Zusammenstoßen mechanische<br />
Energie in innere Energie umgewandelt wird, beim sogenannten<br />
unelastischen Stoß – dabei kleben die Körper nach der Wechselwirkung<br />
zusammen und haben eine gemeinsame Geschwindigkeit u.<br />
Es gilt m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 + m 2 u ⇒ u = m 1v 1 + m 2 v 2<br />
m 1 +m 2
WÄRMELEHRE<br />
Gasgesetze<br />
Im Modell des idealen Gases werden alle Gasteilchen als ausdehnungslose<br />
Massenpunkte angenommen, welche sich frei durch das ihnen zur<br />
Verfügung stehende Volumen bewegen können.<br />
n : Teilchenanzahl<br />
T : Temperatur<br />
V : Volumen<br />
p : Druck<br />
Beispiele<br />
(1) langsame (isotherme) Kompression der Luft in einer Luftpumpe<br />
(2) (isochores) Erwärmen der Luft in einem Schnellkochtopf<br />
(3) (isobares) Erwärmen der Luft in einem Backofen<br />
(4) Aufpumpen eines Autoreifens Alle einzelnen Zusammenhänge<br />
sind in der allgemeinen Gasgleichung vereint: p⋅V = konstant.<br />
T
Fig.1<br />
Stirling-Motor<br />
(Wärmekraftmaschine)<br />
Quelle: Leybold-<br />
Versuchsbeschreibung<br />
Umkehrung: Wenn das Schwungrad mechanisch angetrieben<br />
wird, dann wird das Gerät zur Wärmepumpe<br />
– die Temperaturdifferenz zwischen dem<br />
warmen und dem kalten Zylinderende nimmt zu.
Fig.1<br />
Stirling-Motor<br />
(Wärmekraftmaschine)<br />
Quelle: Leybold-<br />
Versuchsbeschreibung<br />
Umkehrung: Wenn das Schwungrad mechanisch angetrieben<br />
wird, dann wird das Gerät zur Wärmepumpe<br />
– die Temperaturdifferenz zwischen dem<br />
warmen und dem kalten Zylinderende nimmt zu.
Wärmelehre - Hauptsätze<br />
1.Hauptsatz: Die Energie eines Systems verändert sich, wenn<br />
mechanische (ΔW) und/oder Wärmeenergie (ΔQ) zu- oder<br />
abgeführt werden. ΔE = ΔW + ΔQ<br />
Darin steckt<br />
1. die Erkenntnis, dass Wärme eine Energieform ist,<br />
2. der Energieerhaltungssatz – ergänzt um eben die Energieform<br />
Wärme. Man kann also Energie weder gewinnen noch<br />
verlieren.<br />
3. Ein „Perpetuum mobile“ nennt man eine Maschine (ein<br />
System), die ohne Energiezufuhr Arbeit verrichten könnte,<br />
also Energie „aus dem Nichts“ erzeugen sollte. Das<br />
widerspricht aber dem 1. Hauptsatz – es gibt also kein<br />
Perpetuum mobile.<br />
2.Hauptsatz:<br />
Wärme fließt selbstständig nur von einem Körper höherer<br />
Temperatur zu einem Körper niederer Temperatur.<br />
Durch Energiezufuhr (Motor) ist auch der umgekehrte Vorgang<br />
möglich (Kühlschrank).
Wärmelehre - Entropie (vom griechischen Wort „umkehren“)<br />
Der zweite Hauptsatz besagt auch:<br />
Man kann mechanische Energie vollkommen in Wärmeenergie<br />
umwandeln, aber man kann grundsätzlich nicht Wärmeenergie<br />
vollkommen in mechanische Energie umwandeln.<br />
Beispiel: Hüpfender Gummiball – seine anfängliche Höhenenergie geht<br />
nach einer gewissen Zeit in Wärmeenergie der Umgebung über – dieser<br />
Vorgang ist irreversibel (nicht umkehrbar).<br />
Wenn die Energiebilanz keine Entscheidung darüber erlaubt, in<br />
welche Richtung ein Prozess spontan abläuft, brauchen wir noch<br />
eine weitere Größe, die diese Entscheidung möglich macht – diese<br />
finden wir in der Entropie (Formelbuchstabe S):<br />
Bei einem irreversiblen Vorgang wird eine geordnete Bewegung<br />
(des Balls) in ungeordnente Bewegungen (der Luftmoleküle)<br />
verwandelt. Diese Unordnung wird mit dem Begriff ENTROPIE<br />
beschrieben.<br />
Spontane (d. h. nicht erzwungene) Vorgänge führen immer zu<br />
mehr Entropie S.
Wärmelehre - Entropie Seite 2<br />
Führt man einem System Wärme zu, so erhöht man damit die<br />
ungeordnete Bewegung, also die Entropie. Diese<br />
Entropieänderung wird ΔS genannt.<br />
1. ΔS ist proportional zur zu- oder abgeführten Wärmemenge .<br />
2. Wenn so etwas bei einer niedrigen Temperatur geschieht, dann<br />
geht das Erhöhen der ungeordneten Bewegung leichter als bei<br />
einer hohen Temperatur, also ist ΔS umgekehrt proportional<br />
zur Temperatur, bei der der Vorgang geschieht. (T ist die<br />
absolute Temperatur in °K)<br />
Zusammen:<br />
ΔS = ΔQ T<br />
Für irreversible Vorgänge gilt also ΔS > 0,<br />
bei reversiblen Vorgängen ist (insgesamt gesehen) ΔS = 0.