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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 Riesenrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 120 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
T = 120 sω = ?
Schritt für Schritt
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 120 s
  3. ω ≈ 0,0524 1/s
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 120 s
  3. ω ≈ 0,0524 1/s
Ergebnis:
0,0524 1/s

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Ein Karussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 6 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 6 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 : 6 s
    3. ω ≈ 1,05 1/s
    Ergebnis:
    1,05 1/s
  2. ●2
    Ein Kinderkarussell 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
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 8 s
    3. ω ≈ 0,785 1/s
    Ergebnis:
    0,785 1/s
  3. ★3
    Ein Motor dreht sich gleichmäßig mit 2000 Umdrehungen je Minute. Wie groß ist seine Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    2000 Umdrehungen je Minuteω = ?
    Lösung zeigen
    1. Drehzahl je Sekunde: f = 2000 : 60 s = 33,3 1/s
    2. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π · f
    3. ω = 2π · 33,3 1/s
    4. ω ≈ 209 1/s
    Ergebnis:
    209 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 120 m, gleichmäßig mit 50 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
r = 120 mv = 50 m/sa_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (50 m/s)² : 120 m = 2500 m²/s² : 120 m
  3. a_r ≈ 20,8 m/s²
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (50 m/s)² : 120 m = 2500 m²/s² : 120 m
  3. a_r ≈ 20,8 m/s²
Ergebnis:
20,8 m/s²

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 20 m, gleichmäßig mit 20 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 20 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 = (20 m/s)² : 20 m = 400 m²/s² : 20 m
    3. a_r ≈ 20 m/s²
    Ergebnis:
    20 m/s²
  2. ●5
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 300 m, gleichmäßig mit 20 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 300 mv = 20 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (20 m/s)² : 300 m = 400 m²/s² : 300 m
    3. a_r ≈ 1,33 m/s²
    Ergebnis:
    1,33 m/s²
  3. ★6
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 500 m, gleichmäßig mit 108 km/h. Wie groß ist die Radialbeschleunigung, und wohin zeigt sie? Berechne mit Einheit.
    r = 500 mv = 108 km/ha_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Erst umrechnen: v = 108 km/h : 3,6 ≈ 30 m/s
    2. a_r = v² : r, die Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt.
    3. a_r = (30 m/s)² : 500 m
    4. a_r ≈ 1,8 m/s², zur Mitte der Kurve
    Ergebnis:
    1,8 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 70 kg bewegt sich mit 6 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 10 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
r = 10 mv = 6 m/sF_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 70 kg · (6 m/s)² : 10 m
  3. F_r ≈ 252 N
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 70 kg · (6 m/s)² : 10 m
  3. F_r ≈ 252 N
Ergebnis:
252 N

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Auto der Masse 1500 kg bewegt sich mit 10 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 40 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 40 mv = 10 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 = 1500 kg · (10 m/s)² : 40 m
    3. F_r ≈ 3750 N
    Ergebnis:
    3750 N
  2. ●8
    Ein Motorrad mit Fahrer der Masse 300 kg bewegt sich mit 10 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 30 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 30 mv = 10 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 300 kg · (10 m/s)² : 30 m
    3. F_r ≈ 1000 N
    Ergebnis:
    1000 N
  3. ★9
    Ein Hammerwerfer dreht einen Hammer der Masse 7,26 kg auf einem Kreis mit r = 1,5 m, 2,5-mal je Sekunde. Welche Kraft braucht er zur Mitte hin? Berechne mit Einheit.
    r = 1,5 m2,5 Umdrehungen je SekundeF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. ω = 2π · f = 2π · 2,5 1/s ≈ 15,7 1/s
    2. F_r = m · ω² · r
    3. F_r = 7,26 kg · (15,7 1/s)² · 1,5 m
    4. F_r ≈ 2690 N
    Ergebnis:
    2690 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?

Ein Hammerwerfer dreht den Hammer an einem Seil. Welche Kraft hält den Hammer auf dem Kreis?
zur MitteHammerwerfer 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 Seilkraft, die zur Hand hin zieht
  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 Seilkraft, die zur Hand hin zieht
Ergebnis:
die Seilkraft, die zur Hand hin zieht

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 Kind wird an den Armen im Kreis herumgeschleudert. Welche Kraft hält es auf dem Kreis?
    zur MitteKind 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 Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
    Ergebnis:
    die Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
  2. ●11
    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
  3. ★12
    Eine Kurve der Bobbahn ist nach innen geneigt. Wozu dient das?
    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 Normalkraft der Fahrbahn bekommt eine Komponente zur Mitte.
    Ergebnis:
    Die Normalkraft der Fahrbahn bekommt eine Komponente zur Mitte.

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 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 = ?
Schritt für Schritt
  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
  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

AchtungKreisfläche und Kreisumfang verwechselt

So nicht
r = 5 cm, Umfang → 3,14 · 5² = 78,5 cm
So richtig
r = 5 cm, Umfang → 2 · 3,14 · 5 = 31,4 cm

Frag dich: Weg um den Kreis oder Fläche innen? Nur die Fläche hat ein Quadrat.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Durch die Erddrehung kreist ein Ort in Rom auf einem Kreis mit r = 4740 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
    r = ?r = 4740 kmv = ?
    So fängst du an:
    r = 4740 km = 4.740.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    Lösung zeigen
    1. r = 4740 km = 4.740.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 4.740.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 345 m/s
    Ergebnis:
    345 m/s
  2. ●14
    Durch die Erddrehung kreist ein Ort in Kairo auf einem Kreis mit r = 5520 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
    r = ?r = 5520 kmv = ?
    Lösung zeigen
    1. r = 5520 km = 5.520.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 5.520.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 401 m/s
    Ergebnis:
    401 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 Kettenkarussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 5 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 5 sω = ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 5 s
    3. ω ≈ 1,26 1/s
    Ergebnis:
    1,26 1/s
  2. ●17
    Ein Windrad hat einen Radius von 60 m und braucht für eine Umdrehung 4 s. Wie schnell bewegt sich ein Punkt am Rand? Berechne mit Einheit.
    r = 60 mT = 4 sv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = 2π · r : T
    2. v = 2π · 60 m : 4 s
    3. v ≈ 94,2 m/s
    Ergebnis:
    94,2 m/s
  3. ●18
    Eine Brotdose liegt auf dem Armaturenbrett. Das Auto fährt in eine Kurve. Wohin rutscht sie, von der Straße aus gesehen?
    Brotdose?
    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 weiter, während das Auto in die Kurve abbiegt
    Ergebnis:
    geradeaus weiter, während das Auto in die Kurve abbiegt
  4. ●19
    Durch eine Kurve fährt eine Radfahrerin mit der Radialkraft F_r = 2 kN. Wie groß ist sie bei doppelt so großer Geschwindigkeit in derselben Kurve? Berechne mit Einheit.
    vorher F_r = 2 kNF_r neu = ?
    Lösung zeigen
    1. F_r = m · v² : r, die Geschwindigkeit steht im Quadrat.
    2. doppelt so schnell heißt 2² = 4-mal so viel Kraft.
    3. F_r = 4 · 2 kN = 8 kN
    Ergebnis:
    8 kN
  5. ●20
    Ein Güterzug fährt durch einen Gleisbogen. Welche Kraft lenkt ihn auf die Kreisbahn?
    zur MitteGüterzug 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
  6. ●21
    Ein Auto fährt auf nasser Straße durch eine ebene Kurve mit r = 50 m. Die Haftreibungszahl ist 0,3. Mit welcher Geschwindigkeit kann es höchstens fahren? Berechne mit Einheit.
    zur Mitter = 50 m, μ = 0,3v höchstens = ?
    Lösung zeigen
    1. Die Haftreibung liefert die Radialkraft: m · v² : r = μ · m · g
    2. Die Masse kürzt sich: v = √μ · g · r
    3. v = √0,3 · 9,81 m/s² · 50 m
    4. v ≈ 12,1 m/s
    Ergebnis:
    12,1 m/s

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 Riesenrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 180 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 180 sω = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,0349 1/s

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

    23
    Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 12 m, gleichmäßig mit 18 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 12 mv = 18 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    27 m/s²

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

    24
    Eine Radfahrerin mit Rad der Masse 75 kg bewegt sich mit 5 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 20 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 5 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    93,8 N

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

    25
    Ein Satellit kreist um die Erde. Was ist die Radialkraft?
    zur MitteSatellit von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten

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

    26
    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
    Ergebnis:
    282 m/s

  6. Ich bereite die Klausur vor.

    27
    Ein Riesenrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 90 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 90 sω = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,0698 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. 1,05 1/s
  2. 0,785 1/s
  3. 209 1/s
  4. 20 m/s²
  5. 1,33 m/s²
  6. 1,8 m/s²
  7. 3750 N
  8. 1000 N
  9. 2690 N
  10. die Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
  11. die Kraft der Schnur zum Pflock hin
  12. Die Normalkraft der Fahrbahn bekommt eine Komponente zur Mitte.
  13. 345 m/s
  14. 401 m/s
  15. 1240 km
  16. 1,26 1/s
  17. 94,2 m/s
  18. geradeaus weiter, während das Auto in die Kurve abbiegt
  19. 8 kN
  20. die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  21. 12,1 m/s
  22. 0,0349 1/s
  23. 27 m/s²
  24. 93,8 N
  25. die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  26. 282 m/s
  27. 0,0698 1/s