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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 Windrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 3 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
T = 3 sω = ?
Schritt für Schritt
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 3 s
  3. ω ≈ 2,09 1/s
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 3 s
  3. ω ≈ 2,09 1/s
Ergebnis:
2,09 1/s

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    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 = ?
    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 : 1,8 s
    3. ω ≈ 3,49 1/s
    Ergebnis:
    3,49 1/s
  2. ●2
    Ein Riesenrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 300 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 300 sω = ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 300 s
    3. ω ≈ 0,0209 1/s
    Ergebnis:
    0,0209 1/s
  3. ★3
    Eine Festplatte dreht sich gleichmäßig mit 5400 Umdrehungen je Minute. Wie groß ist ihre Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    5400 Umdrehungen je Minuteω = ?
    Lösung zeigen
    1. Drehzahl je Sekunde: f = 5400 : 60 s = 90 1/s
    2. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π · f
    3. ω = 2π · 90 1/s
    4. ω ≈ 565 1/s
    Ergebnis:
    565 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 50 m, gleichmäßig mit 50 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
r = 50 mv = 50 m/sa_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (50 m/s)² : 50 m = 2500 m²/s² : 50 m
  3. a_r ≈ 50 m/s²
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (50 m/s)² : 50 m = 2500 m²/s² : 50 m
  3. a_r ≈ 50 m/s²
Ergebnis:
50 m/s²

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Auto fährt durch eine Kurve mit dem Radius 100 m, gleichmäßig mit 12 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 100 mv = 12 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 = (12 m/s)² : 100 m = 144 m²/s² : 100 m
    3. a_r ≈ 1,44 m/s²
    Ergebnis:
    1,44 m/s²
  2. ●5
    Ein Auto fährt durch eine Kurve mit dem Radius 80 m, gleichmäßig mit 10 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 80 mv = 10 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (10 m/s)² : 80 m = 100 m²/s² : 80 m
    3. a_r ≈ 1,25 m/s²
    Ergebnis:
    1,25 m/s²
  3. ★6
    Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 50 m, gleichmäßig mit 72 km/h. Wie groß ist die Radialbeschleunigung, und wohin zeigt sie? Berechne mit Einheit.
    r = 50 mv = 72 km/ha_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Erst umrechnen: v = 72 km/h : 3,6 ≈ 20 m/s
    2. a_r = v² : r, die Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt.
    3. a_r = (20 m/s)² : 50 m
    4. a_r ≈ 8 m/s², zur Mitte der Kurve
    Ergebnis:
    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

Ein Motorrad mit Fahrer der Masse 250 kg bewegt sich mit 20 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 30 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
r = 30 mv = 20 m/sF_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 250 kg · (20 m/s)² : 30 m
  3. F_r ≈ 3330 N
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 250 kg · (20 m/s)² : 30 m
  3. F_r ≈ 3330 N
Ergebnis:
3330 N

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Kind auf einem Karussell der Masse 35 kg bewegt sich mit 4 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 4 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 4 mv = 4 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 = 35 kg · (4 m/s)² : 4 m
    3. F_r ≈ 140 N
    Ergebnis:
    140 N
  2. ●8
    Ein Kind auf einem Karussell der Masse 35 kg bewegt sich mit 3 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 2 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 2 mv = 3 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 35 kg · (3 m/s)² : 2 m
    3. F_r ≈ 158 N
    Ergebnis:
    158 N
  3. ★9
    Ein Hammerwerfer dreht einen Hammer der Masse 4 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 = 4 kg · (15,7 1/s)² · 1,5 m
    4. F_r ≈ 1480 N
    Ergebnis:
    1480 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 Bus fährt auf ebener Straße durch eine Kurve. Welche Kraft hält das Fahrzeug auf der Kreisbahn?
zur MitteBus 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 Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
  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 Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
Ergebnis:
die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin

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 Satellit kreist um die Erde. Was ist die Radialkraft?
    zur MitteSatellit 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 Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
    Ergebnis:
    die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  2. ●11
    Ein Wettersatellit kreist um die Erde. Was ist die Radialkraft?
    zur MitteWettersatellit 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 Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
    Ergebnis:
    die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  3. ★12
    Eine Kurve auf der Rennstrecke 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 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 = ?
Schritt für Schritt
  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
  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

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 je Tag. Wie schnell bewegt er sich in m/s? Berechne mit Einheit.
    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 Singapur auf einem Kreis mit r = 6370 km um die Erdachse, einmal je Tag. Wie schnell bewegt er sich in m/s? Berechne mit Einheit.
    r = ?r = 6370 kmv = ?
    Lösung zeigen
    1. r = 6370 km = 6.370.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 6.370.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 463 m/s
    Ergebnis:
    463 m/s
  3. ★15
    Kairo liegt auf etwa 30° 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 = 30°Weg in 1 h = ?
    Lösung zeigen
    1. Abstand zur Erdachse: r = R · cos φ = 6371 km · cos 30° ≈ 5520 km
    2. Umfang des Kreises: 2π · r ≈ 34.700 km
    3. In einer Stunde schafft die Stadt ein 24stel davon.
    4. s = 2π · r : 24 ≈ 1440 km
    Ergebnis:
    1440 km

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●16
    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
    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
  2. ●17
    Ein Kettenkarussell hat einen Radius von 8 m und braucht für eine Umdrehung 7 s. Wie schnell bewegt sich ein Punkt am Rand? Berechne mit Einheit.
    r = 8 mT = 7 sv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = 2π · r : T
    2. v = 2π · 8 m : 7 s
    3. v ≈ 7,18 m/s
    Ergebnis:
    7,18 m/s
  3. ●18
    Ein Auto fährt durch eine Kurve mit dem Radius 20 m, gleichmäßig mit 12 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 12 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (12 m/s)² : 20 m = 144 m²/s² : 20 m
    3. a_r ≈ 7,2 m/s²
    Ergebnis:
    7,2 m/s²
  4. ●19
    Ein Schlüsselbund kreist an einer Schnur waagerecht über dem Kopf. Die Schnur reißt. Wie fliegt er von oben gesehen weiter?
    Schlüsselbund?
    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
  5. ●20
    Ein Auto der Masse 1500 kg bewegt sich mit 15 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 30 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 30 mv = 15 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 1500 kg · (15 m/s)² : 30 m
    3. F_r ≈ 11.300 N
    Ergebnis:
    11.300 N
  6. ●21
    Durch eine Kurve fährt ein Auto mit der Radialkraft F_r = 1,2 kN. Wie groß ist sie bei doppelt so großer Geschwindigkeit in derselben Kurve? Berechne mit Einheit.
    vorher F_r = 1,2 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 · 1,2 kN = 4,8 kN
    Ergebnis:
    4,8 kN

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 Kettenkarussell 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
    Ergebnis:
    1,05 1/s

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

    23
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 500 m, gleichmäßig mit 30 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 500 mv = 30 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,8 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 = 10 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 10 mv = 5 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    188 N

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

    25
    Ein Kind wird an den Armen im Kreis herumgeschleudert. Welche Kraft hält es auf dem Kreis?
    zur MitteKind von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    die Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet

  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 in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
    r = ?r = 3880 kmv = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    282 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. 3,49 1/s
  2. 0,0209 1/s
  3. 565 1/s
  4. 1,44 m/s²
  5. 1,25 m/s²
  6. 8 m/s²
  7. 140 N
  8. 158 N
  9. 1480 N
  10. die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  11. die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  12. Die Normalkraft der Fahrbahn bekommt eine Komponente zur Mitte.
  13. 345 m/s
  14. 463 m/s
  15. 1440 km
  16. 0,785 1/s
  17. 7,18 m/s
  18. 7,2 m/s²
  19. geradeaus entlang der Tangente an der Stelle des Risses
  20. 11.300 N
  21. 4,8 kN
  22. 1,05 1/s
  23. 1,8 m/s²
  24. 188 N
  25. die Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
  26. 282 m/s
  27. 3,49 1/s