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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 = 8 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
T = 8 sω = ?
Schritt für Schritt
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 8 s
  3. ω ≈ 0,785 1/s
  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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    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 = ?
    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 : 300 s
    3. ω ≈ 0,0209 1/s
    Ergebnis:
    0,0209 1/s
  2. ●2
    Ein Windrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 4 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 4 sω = ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
    2. ω = 2π : 4 s
    3. ω ≈ 1,57 1/s
    Ergebnis:
    1,57 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

Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 15 m, gleichmäßig mit 12 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
r = 15 mv = 12 m/sa_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (12 m/s)² : 15 m = 144 m²/s² : 15 m
  3. a_r ≈ 9,6 m/s²
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (12 m/s)² : 15 m = 144 m²/s² : 15 m
  3. a_r ≈ 9,6 m/s²
Ergebnis:
9,6 m/s²

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 20 m, gleichmäßig mit 15 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 15 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 = (15 m/s)² : 20 m = 225 m²/s² : 20 m
    3. a_r ≈ 11,3 m/s²
    Ergebnis:
    11,3 m/s²
  2. ●5
    Eine Radfahrerin fährt durch eine Kurve mit dem Radius 12 m, gleichmäßig mit 4 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 12 mv = 4 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (4 m/s)² : 12 m = 16 m²/s² : 12 m
    3. a_r ≈ 1,33 m/s²
    Ergebnis:
    1,33 m/s²
  3. ★6
    Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 20 m, gleichmäßig mit 54 km/h. Wie groß ist die Radialbeschleunigung, und wohin zeigt sie? Berechne mit Einheit.
    r = 20 mv = 54 km/ha_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Erst umrechnen: v = 54 km/h : 3,6 ≈ 15 m/s
    2. a_r = v² : r, die Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt.
    3. a_r = (15 m/s)² : 20 m
    4. a_r ≈ 11,3 m/s², zur Mitte der Kurve
    Ergebnis:
    11,3 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 Auto der Masse 1200 kg bewegt sich mit 20 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 80 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
r = 80 mv = 20 m/sF_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 1200 kg · (20 m/s)² : 80 m
  3. F_r ≈ 6000 N
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 1200 kg · (20 m/s)² : 80 m
  3. F_r ≈ 6000 N
Ergebnis:
6000 N

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Auto der Masse 1200 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 = 1200 kg · (10 m/s)² : 40 m
    3. F_r ≈ 3000 N
    Ergebnis:
    3000 N
  2. ●8
    Ein Wagen der Achterbahn der Masse 500 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 = 500 kg · (12 m/s)² : 12 m
    3. F_r ≈ 6000 N
    Ergebnis:
    6000 N
  3. ★9
    Ein Hammerwerfer dreht einen Hammer der Masse 4 kg auf einem Kreis mit r = 1,6 m, 2-mal je Sekunde. Welche Kraft braucht er zur Mitte hin? Berechne mit Einheit.
    r = 1,6 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 = 4 kg · (12,6 1/s)² · 1,6 m
    4. F_r ≈ 1010 N
    Ergebnis:
    1010 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 Kind wird an den Armen im Kreis herumgeschleudert. Welche Kraft hält es auf dem Kreis?
zur MitteKind 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 Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
  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

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 Bus fährt auf ebener Straße durch eine Kurve. Welche Kraft hält das Fahrzeug auf der Kreisbahn?
    zur MitteBus 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 Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
    Ergebnis:
    die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
  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
    Ein Auto fährt unten durch eine Senke, die wie ein Kreisbogen geformt ist. Was gilt dort für die Kraft der Fahrbahn?
    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: Sie ist größer als die Gewichtskraft, um die Radialkraft.
    Ergebnis:
    Sie ist größer als die Gewichtskraft, um die Radialkraft.

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 Oslo auf einem Kreis mit r = 3190 km um die Erdachse, einmal je Tag. Wie schnell bewegt er sich in m/s? Berechne mit Einheit.
    r = ?r = 3190 kmv = ?
    So fängst du an:
    r = 3190 km = 3.190.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    Lösung zeigen
    1. r = 3190 km = 3.190.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
    2. v = 2π · r : T
    3. v = 2π · 3.190.000 m : 86.400 s
    4. v ≈ 232 m/s
    Ergebnis:
    232 m/s
  2. ●14
    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 = ?
    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
  3. ★15
    Reykjavík liegt auf etwa 64,1° nördlicher Breite. Wie schnell bewegt sich die Stadt durch die Erddrehung? Erdradius 6371 km, eine Umdrehung in 24 h. Berechne mit Einheit.
    r = ?φ = 64,1°v = ?
    Lösung zeigen
    1. Abstand zur Erdachse: r = R · cos φ = 6371 km · cos 64,1° ≈ 2780 km
    2. T = 24 h = 86.400 s
    3. v = 2π · r : T = 2π · 2780 km : 86.400 s
    4. v ≈ 202 m/s
    Ergebnis:
    202 m/s

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●16
    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 = ?
    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. ●17
    Eine Zentrifuge im Training von Astronauten hat einen Radius von 8 m und braucht für eine Umdrehung 2,5 s. Wie schnell bewegt sich ein Punkt am Rand? Berechne mit Einheit.
    r = 8 mT = 2,5 sv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = 2π · r : T
    2. v = 2π · 8 m : 2,5 s
    3. v ≈ 20,1 m/s
    Ergebnis:
    20,1 m/s
  3. ●18
    Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 100 m, gleichmäßig mit 30 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 100 mv = 30 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (30 m/s)² : 100 m = 900 m²/s² : 100 m
    3. a_r ≈ 9 m/s²
    Ergebnis:
    9 m/s²
  4. ●19
    Ein Hammerwerfer lässt den Hammer los. In welche Richtung fliegt der Hammer im Moment des Loslassens?
    Hammerwerfer?
    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: tangential, in die Richtung seiner Geschwindigkeit
    Ergebnis:
    tangential, in die Richtung seiner Geschwindigkeit
  5. ●20
    Ein Wagen der Achterbahn der Masse 600 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 = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 600 kg · (12 m/s)² : 15 m
    3. F_r ≈ 5760 N
    Ergebnis:
    5760 N
  6. ●21
    Durch eine Kurve fährt ein Auto mit der Radialkraft F_r = 4,5 kN. Wie groß ist sie bei gleicher Geschwindigkeit in einer Kurve mit doppeltem Radius? Berechne mit Einheit.
    vorher F_r = 4,5 kNF_r neu = ?
    Lösung zeigen
    1. F_r = m · v² : r, bei gleichem v steht der Radius unter dem Bruchstrich.
    2. 2-facher Radius heißt ein Halb der Kraft.
    3. F_r = 4,5 kN : 2 = 2,25 kN
    Ergebnis:
    2,25 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 Windrad dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 3 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 3 sω = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,09 1/s

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

    23
    Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 80 m, gleichmäßig mit 50 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 80 mv = 50 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    31,3 m/s²

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

    24
    Eine Radfahrerin mit Rad der Masse 80 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 = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    133 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 Oslo auf einem Kreis mit r = 3190 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
    r = ?r = 3190 kmv = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    232 m/s

  6. Ich bereite die Klausur vor.

    27
    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 = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,0524 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. 0,0209 1/s
  2. 1,57 1/s
  3. 209 1/s
  4. 11,3 m/s²
  5. 1,33 m/s²
  6. 11,3 m/s²
  7. 3000 N
  8. 6000 N
  9. 1010 N
  10. die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
  11. die Kraft der äußeren Schiene auf die Spurkränze der Räder
  12. Sie ist größer als die Gewichtskraft, um die Radialkraft.
  13. 232 m/s
  14. 345 m/s
  15. 202 m/s
  16. 0,628 1/s
  17. 20,1 m/s
  18. 9 m/s²
  19. tangential, in die Richtung seiner Geschwindigkeit
  20. 5760 N
  21. 2,25 kN
  22. 2,09 1/s
  23. 31,3 m/s²
  24. 133 N
  25. die Zugkraft der Arme, nach innen gerichtet
  26. 232 m/s
  27. 0,0524 1/s