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Physik · Klasse 11 · Kapitel

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Einführungsphase: Kreisbewegungen

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann eine Kreisbewegung mit Periodendauer, Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit beschreiben.

MerkenBahn- und Winkelgrößen

Die Periodendauer T ist die Zeit für eine Umdrehung.

Winkelgeschwindigkeit ω = 2π : T = 2π · f, Bahngeschwindigkeit v = 2π · r : T = ω · r.

BeispielWinkelgeschwindigkeit

Ein Karussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 12 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
T = 12 sω = ?
Schritt für Schritt
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 12 s
  3. ω ≈ 0,524 1/s
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 12 s
  3. ω ≈ 0,524 1/s
Ergebnis:
0,524 1/s

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Ein Kinderkarussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 10 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 10 sω = ?
    So fängst du an:
    Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    Lösung zeigen
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 10 s
    3. ω ≈ 0,628 1/s
    Ergebnis:
    0,628 1/s
  2. ●2
    Ein Kinderkarussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 6 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 6 sω = ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 6 s
    3. ω ≈ 1,05 1/s
    Ergebnis:
    1,05 1/s
  3. ★3
    Eine Waschmaschinentrommel dreht sich gleichmäßig mit 1200 Umdrehungen je Minute. Wie groß ist ihre Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    1200 Umdrehungen je Minuteω = ?
    Lösung zeigen
    1. Drehzahl je Sekunde: f = 1200 : 60 s = 20 1/s
    2. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π · f
    3. ω = 2π · 20 1/s
    4. ω ≈ 126 1/s
    Ergebnis:
    126 1/s

2Ich kann die gleichförmige Kreisbewegung als beschleunigte Bewegung erklären und die Radialbeschleunigung berechnen.

MerkenRadialbeschleunigung

Auf dem Kreis ändert sich ständig die Richtung der Geschwindigkeit.

Deshalb ist auch die gleichförmige Kreisbewegung beschleunigt, zur Mitte hin: a_r = v² : r = ω² · r.

BeispielRadialbeschleunigung

Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 80 m, gleichmäßig mit 30 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
r = 80 mv = 30 m/sa_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (30 m/s)² : 80 m = 900 m²/s² : 80 m
  3. a_r ≈ 11,3 m/s²
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (30 m/s)² : 80 m = 900 m²/s² : 80 m
  3. a_r ≈ 11,3 m/s²
Ergebnis:
11,3 m/s²

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Eine Radfahrerin fährt durch eine Kurve mit dem Radius 8 m, gleichmäßig mit 8 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 8 mv = 8 m/sa_r = ?
    So fängst du an:
    Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (8 m/s)² : 8 m = 64 m²/s² : 8 m
    3. a_r ≈ 8 m/s²
    Ergebnis:
    8 m/s²
  2. ●5
    Eine Radfahrerin fährt durch eine Kurve mit dem Radius 8 m, gleichmäßig mit 4 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 8 mv = 4 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (4 m/s)² : 8 m = 16 m²/s² : 8 m
    3. a_r ≈ 2 m/s²
    Ergebnis:
    2 m/s²
  3. ★6
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 300 m, gleichmäßig mit 144 km/h. Wie groß ist die Radialbeschleunigung, und wohin zeigt sie? Berechne mit Einheit.
    r = 300 mv = 144 km/ha_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Erst umrechnen: v = 144 km/h : 3,6 ≈ 40 m/s
    2. a_r = v² : r, die Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt.
    3. a_r = (40 m/s)² : 300 m
    4. a_r ≈ 5,33 m/s², zur Mitte der Kurve
    Ergebnis:
    5,33 m/s²

3Ich kann die Radialkraft berechnen und ihre Abhängigkeit von Masse, Geschwindigkeit und Radius begründen.

MerkenRadialkraft

Die Radialkraft F_r = m · v² : r = m · ω² · r zeigt zur Mitte.

Doppelte Geschwindigkeit heißt vierfache Kraft. Bei gleichem v halbiert doppelter Radius die Kraft, bei gleichem ω verdoppelt er sie.

BeispielRadialkraft berechnen

Eine Radfahrerin mit Rad der Masse 75 kg bewegt sich mit 5 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 15 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
r = 15 mv = 5 m/sF_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 75 kg · (5 m/s)² : 15 m
  3. F_r ≈ 125 N
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 75 kg · (5 m/s)² : 15 m
  3. F_r ≈ 125 N
Ergebnis:
125 N

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Wagen der Achterbahn der Masse 500 kg bewegt sich mit 12 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 15 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 15 mv = 12 m/sF_r = ?
    So fängst du an:
    Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 500 kg · (12 m/s)² : 15 m
    3. F_r ≈ 4800 N
    Ergebnis:
    4800 N
  2. ●8
    Ein Wagen der Achterbahn der Masse 600 kg bewegt sich mit 12 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 12 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 12 mv = 12 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 600 kg · (12 m/s)² : 12 m
    3. F_r ≈ 7200 N
    Ergebnis:
    7200 N
  3. ★9
    Ein Hammerwerfer dreht einen Hammer der Masse 7,26 kg auf einem Kreis mit r = 1,8 m, 2-mal je Sekunde. Welche Kraft braucht er zur Mitte hin? Berechne mit Einheit.
    r = 1,8 m2 Umdrehungen je SekundeF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. ω = 2π · f = 2π · 2 1/s ≈ 12,6 1/s
    2. F_r = m · ω² · r
    3. F_r = 7,26 kg · (12,6 1/s)² · 1,8 m
    4. F_r ≈ 2060 N
    Ergebnis:
    2060 N

4Ich kann angeben, welche Kraft die Radialkraft liefert, und Kräfte bei Kurvenfahrten in Komponenten zerlegen.

MerkenWer liefert die Radialkraft?

Die Radialkraft liefern echte Kräfte wie Reibung, Seil oder Gravitation.

Von außen gesehen gibt es keine Kraft nach außen. Bei schrägen Kräften zählt die Komponente zur Mitte.

BeispielWer liefert die Radialkraft?

Wäsche kreist in der Trommel einer Waschmaschine. Welche Kraft hält sie auf der Kreisbahn?
zur MitteTrommel von obenF_r kommt woher?
Schritt für Schritt
  1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
  2. Such die Kraft, die zur Mitte des Kreises zeigt.
  3. Also: die Kraft der Trommelwand, die nach innen drückt
  1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
  2. Such die Kraft, die zur Mitte des Kreises zeigt.
  3. Also: die Kraft der Trommelwand, die nach innen drückt
Ergebnis:
die Kraft der Trommelwand, die nach innen drückt

AchtungTaschenrechner im Bogenmaß statt in Grad

So nicht
sin(30) im Modus RAD → −0,988
So richtig
sin(30°) im Modus DEG → 0,5

Schau oben ins Display: Steht dort R oder RAD? Stell auf DEG um.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Güterzug fährt durch einen Gleisbogen. Welche Kraft lenkt ihn auf die Kreisbahn?
    zur MitteGüterzug von obenF_r kommt woher?
    So fängst du an:
    Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
    Lösung zeigen
    1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
    2. Such die Kraft, die zur Mitte des Kreises zeigt.
    3. Also: die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
    Ergebnis:
    die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  2. ●11
    Ein Regionalzug fährt durch einen Gleisbogen. Welche Kraft lenkt ihn auf die Kreisbahn?
    zur MitteRegionalzug von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
    2. Such die Kraft, die zur Mitte des Kreises zeigt.
    3. Also: die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
    Ergebnis:
    die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  3. ★12
    Eine Eiskunstläuferin dreht sich an der Hand ihres Partners im Kreis. Welche Kraft hält sie auf der Bahn?
    F_GF_KetteF_rαF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
    2. Zerlege schräge Kräfte in eine Komponente zur Mitte und eine senkrecht dazu.
    3. Also: die Zugkraft des Partners über die Arme, zur Mitte hin
    Ergebnis:
    die Zugkraft des Partners über die Arme, zur Mitte hin

5Ich kann Kreisbewegungen der Erde, von Satelliten und Zentrifugen berechnen und deuten.

MerkenKreisbewegungen in Natur und Technik

Ein Ort auf der Erde kreist um die Erdachse mit r = R · cos φ.

Zentrifugen erzeugen große Radialbeschleunigungen a_r = ω² · r. Die Radialkraft verrichtet keine Arbeit, die Bewegungsenergie bleibt.

BeispielErddrehung

Durch die Erddrehung kreist ein Ort am Äquator auf einem Kreis mit r = 6371 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
r = ?r = 6371 kmv = ?
Schritt für Schritt
  1. r = 6371 km = 6.371.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
  2. v = 2π · r : T
  3. v = 2π · 6.371.000 m : 86.400 s
  4. v ≈ 463 m/s
  1. r = 6371 km = 6.371.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
  2. v = 2π · r : T
  3. v = 2π · 6.371.000 m : 86.400 s
  4. v ≈ 463 m/s
Ergebnis:
463 m/s

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Durch die Erddrehung kreist ein Ort in Berlin auf einem Kreis mit r = 3880 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
    r = ?r = 3880 kmv = ?
    So fängst du an:
    r = 3880 km = 3.880.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    Lösung zeigen
    1. r = 3880 km = 3.880.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 3.880.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 282 m/s
    Ergebnis:
    282 m/s
  2. ●14
    Durch die Erddrehung kreist ein Ort in Berlin auf einem Kreis mit r = 3880 km um die Erdachse, einmal je Tag. Wie schnell bewegt er sich in m/s? Berechne mit Einheit.
    r = ?r = 3880 kmv = ?
    Lösung zeigen
    1. r = 3880 km = 3.880.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 3.880.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 282 m/s
    Ergebnis:
    282 m/s
  3. ★15
    Rom liegt auf etwa 41,9° Breite. Wie weit kommt die Stadt durch die Erddrehung in einer Stunde? Erdradius 6371 km, eine Umdrehung in 24 h. Berechne mit Einheit.
    r = ?φ = 41,9°Weg in 1 h = ?
    Lösung zeigen
    1. Abstand zur Erdachse: r = R · cos φ = 6371 km · cos 41,9° ≈ 4740 km
    2. Umfang des Kreises: 2π · r ≈ 29.800 km
    3. In einer Stunde schafft die Stadt ein 24stel davon.
    4. s = 2π · r : 24 ≈ 1240 km
    Ergebnis:
    1240 km

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●16
    Ein Karussell hat einen Radius von 4 m und braucht für eine Umdrehung 5 s. Wie schnell bewegt sich ein Punkt am Rand? Berechne mit Einheit.
    r = 4 mT = 5 sv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = 2π · r : T
    2. v = 2π · 4 m : 5 s
    3. v ≈ 5,03 m/s
    Ergebnis:
    5,03 m/s
  2. ●17
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 800 m, gleichmäßig mit 25 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 800 mv = 25 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (25 m/s)² : 800 m = 625 m²/s² : 800 m
    3. a_r ≈ 0,781 m/s²
    Ergebnis:
    0,781 m/s²
  3. ●18
    Ein Stein kreist an einer Schnur waagerecht über dem Kopf. Die Schnur reißt. Wie fliegt er von oben gesehen weiter?
    Stein?
    Lösung zeigen
    1. Zeichne die Geschwindigkeit als Pfeil an zwei Stellen der Bahn, kurz nacheinander.
    2. Der Unterschied der beiden Pfeile zeigt zur Kreismitte. Dorthin zeigt auch die Kraft.
    3. Also: geradeaus entlang der Tangente an der Stelle des Risses
    Ergebnis:
    geradeaus entlang der Tangente an der Stelle des Risses
  4. ●19
    Eine Radfahrerin mit Rad der Masse 60 kg bewegt sich mit 6 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 20 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 6 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 60 kg · (6 m/s)² : 20 m
    3. F_r ≈ 108 N
    Ergebnis:
    108 N
  5. ●20
    Durch eine Kurve fährt ein Motorrad mit der Radialkraft F_r = 3 kN. Wie groß ist sie bei viermal so großer Geschwindigkeit in derselben Kurve? Berechne mit Einheit.
    vorher F_r = 3 kNF_r neu = ?
    Lösung zeigen
    1. F_r = m · v² : r, die Geschwindigkeit steht im Quadrat.
    2. viermal so schnell heißt 4² = 16-mal so viel Kraft.
    3. F_r = 16 · 3 kN = 48 kN
    Ergebnis:
    48 kN
  6. ●21
    Ein Puck gleitet an einer Schnur auf dem Eis im Kreis um einen Pflock. Welche Kraft hält ihn auf dem Kreis?
    zur MittePuck von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    1. Zeichne alle Kräfte auf den kreisenden Körper, jede mit ihrem Verursacher.
    2. Such die Kraft, die zur Mitte des Kreises zeigt.
    3. Also: die Kraft der Schnur zum Pflock hin
    Ergebnis:
    die Kraft der Schnur zum Pflock hin

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Bahn- und Winkelgrößen
Die Periodendauer T ist die Zeit für eine Umdrehung.
Radialbeschleunigung
Auf dem Kreis ändert sich ständig die Richtung der Geschwindigkeit.
Radialkraft
Die Radialkraft F_r = m · v² : r = m · ω² · r zeigt zur Mitte.
Wer liefert die Radialkraft?
Die Radialkraft liefern echte Kräfte wie Reibung, Seil oder Gravitation.
Kreisbewegungen in Natur und Technik
Ein Ort auf der Erde kreist um die Erdachse mit r = R · cos φ.

AchtungZentrifugalkraft als Ursache

So nicht
m = 5 kg, a = 2 m/s²: F = 50 N · 2 = 100 N
So richtig
F = m · a = 5 kg · 2 m/s² = 10 N  (50 N ist die Gewichtskraft)

Von außen betrachtet zieht nichts nach außen. Ohne Radialkraft fliegt der Körper tangential geradeaus weiter.

Achtungv und ω verwechselt

So nicht
Der Wagen rollt gleichförmig, also wirkt eine Kraft in Fahrtrichtung.
So richtig
Gleichförmig heißt: Die Kräfte heben sich auf. Antrieb = Reibung, Summe = 0 N

v in m/s ist der Weg je Zeit auf dem Kreis, ω in 1/s der Winkel je Zeit.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann eine Kreisbewegung mit Periodendauer, Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit beschreiben.

    22
    Ein Karussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 8 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 8 sω = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,785 1/s

  2. Ich kann die gleichförmige Kreisbewegung als beschleunigte Bewegung erklären und die Radialbeschleunigung berechnen.

    23
    Eine Radfahrerin fährt durch eine Kurve mit dem Radius 10 m, gleichmäßig mit 6 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 10 mv = 6 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,6 m/s²

  3. Ich kann die Radialkraft berechnen und ihre Abhängigkeit von Masse, Geschwindigkeit und Radius begründen.

    24
    Ein Auto der Masse 800 kg bewegt sich mit 12 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 40 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 40 mv = 12 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2880 N

  4. Ich kann angeben, welche Kraft die Radialkraft liefert, und Kräfte bei Kurvenfahrten in Komponenten zerlegen.

    25
    Der Mond umkreist die Erde. Welche Kraft wirkt als Radialkraft?
    zur MitteMond von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    die Gravitationskraft der Erde

  5. Ich kann Kreisbewegungen der Erde, von Satelliten und Zentrifugen berechnen und deuten.

    26
    Durch die Erddrehung kreist ein Ort am Äquator auf einem Kreis mit r = 6371 km um die Erdachse, einmal je Tag. Wie schnell bewegt er sich in m/s? Berechne mit Einheit.
    r = ?r = 6371 kmv = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    463 m/s

  6. Ich bereite die Klausur vor.

    27
    Eine Schallplatte dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 1,8 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 1,8 sω = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,49 1/s

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Radius
vom Mittelpunkt bis zum Rand

Lösungen

  1. 0,628 1/s
  2. 1,05 1/s
  3. 126 1/s
  4. 8 m/s²
  5. 2 m/s²
  6. 5,33 m/s²
  7. 4800 N
  8. 7200 N
  9. 2060 N
  10. die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  11. die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  12. die Zugkraft des Partners über die Arme, zur Mitte hin
  13. 282 m/s
  14. 282 m/s
  15. 1240 km
  16. 5,03 m/s
  17. 0,781 m/s²
  18. geradeaus entlang der Tangente an der Stelle des Risses
  19. 108 N
  20. 48 kN
  21. die Kraft der Schnur zum Pflock hin
  22. 0,785 1/s
  23. 3,6 m/s²
  24. 2880 N
  25. die Gravitationskraft der Erde
  26. 463 m/s
  27. 3,49 1/s