Benutzer:Hubi/Tests

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Ursache von Bewegungen

• Geradlinig gleichförmige Bewegungen benötigen keine Ursache
• Beschleunigte Objekte werden durch Kräfte in Bewegungsrichtung beschleunigt.
• Objekte, die abgebremst werden, werden durch Kräfte entgegen der Bewegungsrichtung gebremst.
• Objekte, die eine Kurve, durchlaufen, werden durch eine Kraft quer zur Bewegungsrichtung abgelenkt. Die Kraft wirkt in Richtung der Ablenkung
• Objekte, die eine kreisförmige Bahn durchlaufen, werden durch eine Kraft zum Kreismittelpunkt auf diese Bahn gezwungen
• Reibungskräfte und der Luftwiderstand bringen alle Objekte auf der Erde relativ zur Erdoberfläche zur Ruhe. Reibungskräfte wirken der Bewegung entgegen und bremsen ein Objekt auf die Geschwindigkeit Null ab.
• Wenn Objekte in Ruhe sind, aber dennoch Kräfte wirken, heben diese sich gegenseitig auf.

Passagiere beim Start eines Flugzeugs

Beim Start eines Flugzeugs wird dieses stark beschleunigt. Die dazu erforderliche Schubkraft wird durch die Propeller oder Düsentriebwerke erzeugt. Sie wirkt nach hinten.

Die Fluglotsen und die Wartenden am Boden sehen die Beschleunigung des Flugzeugs auf der Startbahn. Die Passagiere im Flugzeug, die aus dem Fenster schauen, sehen statt dessen, wie sich das Flughafengebäude, der Tower und alle anderen Gegenstände am Boden mit zunehmender Geschwindigkeit nach hinten bewegen. Alle Objekte außerhalb des Flugzeugs werden für sie nach hinten beschleunigt. Als Scheinursache nehmen sie daher eine Scheinkraft an, die nach hinten wirkt.

Die Passagiere sind sicher, dass diese Kraft wirkt, denn sie selbst werden durch eine Kraft in die Sitze gedrückt. Sie machen dafür dieselbe Scheinkraft verantwortlich, die auch den Tower aus ihrer Sicht beschleunigt. Sie selbst sind in Ruhe, ihre Gesamtkraft ist Null. Zusätzlich zur Scheinkraft nach hinten wirkt noch eine Kraft nach vorne. Dies ist die Schubkraft. Da die Sitze tatsächlich eingedrückt werden, hat die Scheinkraft reale Auswirkungen.

Landung eines Flugzeugs

Auf der Landebahn wird das Flugzeug abgebremst. Die Schubumkehr der Triebwerke sorgt für ein starkes Bremsen. Die Schubkraft wirkt nach hinten. Die Passagiere werden durch eine Scheinkraft nach vorne in ihre Gurte gedrückt.

Ein Kind im Karussell

Ein Kind befindet sich in einen Karussell. Ein Erwachsener schaut vom Rand aus zu. Das Kind bewegt sich mit dem Karussellsitz auf einer Kreisbahn. Hier wirkt also aus der Sicht des Erwachsenen eine Kraft zum Kreismittelpunkt, die Zentripetalkraft genannt wird.

Das Kind selbst sieht sich genaugenommen nicht auf einer Kreisbahn. Stattdessen sieht es, wie der Jahrmarkt und der Erwachsene sich drehen. Es selbst und der Karussellsitz sind in Ruhe. Die Drehbewegung des Erwachsenen kann nur durch eine Kraft in Richtung des Karussellmittelpunktes verursacht sein. Als Scheinursache wirkt hier die Zentripetalkraft als Scheinkraft auf den Erwachsenen. Für den Erwachsenen, der in Ruhe ist, gibt es keine dagegen keine solche Kraft, die auf ihn wirkt.

Das Kind spürt, dass es selbst nach außen gedrückt wird. Diese Kraft heißt Zentrifugalkraft. Glücklicherweise neigen sich die Sitze, so dass eine gleich große Kraft nach innen wirkt, die Zentripetalkraft. Zentrifugalkraft und Zentripetalkraft heben sich für das Kind auf.

Das Kind im Karussell hält einen Apfel und lässt ihn los

Das Kind im Karussell hat beim Einsteigen einen Apfel mitbekommen. Diesen lässt es aus Versehen los, während sich das Karussell dreht.

Was passiert jetzt? Aus der Sicht des Erwachsenen fliegt der Apfel in Bewegungsrichtung des Karussells weiter (er fällt auch zu Boden, wovon hier abgesehen wird). Nach dem Loslassen fliegt er mit geradlinig gleichförmiger Bewegung weiter. In waagerechter Richtung wirkt überhaupt keine Kraft auf den Apfel. Der Apfel bewegt sich tangential zur Kreisbahn weiter.

Für das Kind bewegt sich der Apfel zunächst mit gleicher Geschwindigkeit wie es selbst. Er entfernt sich mit der Zeit nach außen, vom Mittelpunkt weg. Er entfernt sich (zunächst) radial. Hierfür ist die Zentrifugalkraft verantwortlich.

Kind und Erwachsener beobachten den Apfel weiter

Der Apfel fliegt für den Erwachsenen geradlinig gleichförmig, also gänzlich ohne Kraft weiter.

Das Kind schaut dem Apfel zu, wie er sich entfernt. Er fliegt geradlinig gleichförmig, also gänzlich ohne Kraft weiter. Das Kind aber sieht aber eine andere Bahn/Flugkurve des Apfels, weil es weiter auf der Kreisbahn des Karussels bewegt wird und selbst zentrifugal beschleunigt wird.

Entfernt er sich ein größeres Stück vom Kind, bleibt er gegenüber der Bewegung zurück. Er wird als nach außen und hinten beschleunigt. Für die Beschleunigung nach außen ist die Zentrifugalkraft verantwortlich. Für die Beschleunigung nach hinten ist die Corioliskraft verantwortlich.

Die Fahrt ist zu Ende, das Karussell wird abgebremst

Das Karussell wird langsamer. Das Kind spürt eine Kraft nach vorne. Dies ist die Kreiselkraft.

Zusammenfassung

Kind und Erwachsener, die Passagiere und die Fluglosten beobachten das Geschehen. Sie heißen Beobachter. Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen führen sie auf Kräfte zurück. Die einzelnen Beobachter nehmen unterschiedliche Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen wahr:

• Die Fluglotsen sehen wie das Flugzeug sich nach vorne beschleunigt
• Die Passagieren sehen, wie der Tower nach hinten beschleunigt. Sie werden auf die Sitze gedrückt.
• Der Erwachsene sieht, wie das Kind und das Karussell sich drehen.
• Das Kind sieht, wie der Jahrmarkt und der Erwachsene sich drehen. Es wird nach außen gezogen.

Geschwindigkeiten und Beschleunigungen beziehen sich immer auf die Sicht eines Beobachters. Die Sichtweise heißt Bezugssystem. Da für die Beobachter Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen unterschiedlich sind, sind auch die verursachenden Kräfte unterschiedlich.

• Für die Fluglotsen wirkt die Schubkraft nach vorne und beschleunigt das Flugzeug mit den Passagieren.
• Für die Passagiere wirkt die Schubkraft nach vorne, eine zusätzliche Kraft drückt sie nach hinten in ihre Sitze.
• Für den Erwachsenen wirkt eine Kraft auf das Kind zum Kreismittelpunkt, die Zentripetalkraft.
• Das Kind spürt jedoch eine Kraft nach außen, die Zentrifugalkraft, die von der Zentripetalkraft augehoben wird. Der Apfel, den es loslässt, entfernt sich aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen.

Hier werden zwei unterschiedliche Krafttypen sichtbar:

• Die Schubkraft wirkt auf die Passagiere, sowohl aus der Sicht der Fluglotsen, als auch aus der Sicht der Passagiere selbst.
• Die zusätzliche Kraft nach hinten wirkt aus der Sicht der Passagiere auf alle Objekte. Aus der Sicht der Fluglotsen gibt es sie nicht.
• Die auf das Kind wirkende Zentripetalkraft, die zur Karussellachse wirkt, wirkt aus der Sicht der Erwachsenen und aus der Sicht des Kindes.
• Die Zentrifugalkraft nach außen wirkt nur aus der Sicht des Kindes. Ebenso gibt es die Corioliskraft und die Zentrifugalkraft auf den Apfel nur als der Sicht des Kindes.

Die zusätzliche Kraft nach hinten beim Beschleunigen, die Zentrifugalkraft, die Corioliskraft und die Kreiskraft wirken nicht aus der Sicht von allen Beteiligten. Für manche Beobachter sind sie vorhanden, für andere nicht. Sie heißen daher Scheinkräfte. Die Zentripetalkraft auf das Kind und die Schubkraft wirken für alle Beteiligten gleich. Sie sind keine Scheinkräfte.

Die Zentripetalkraft auf den Erwachsenen wirkt nur aus der Sicht des Kindes. Sie ist in diesem Fall auch Scheinkraft.