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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 Kinderkarussell dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 5 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
T = 5 sω = ?
Schritt für Schritt
  1. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π : T
  2. ω = 2π : 5 s
  3. ω ≈ 1,26 1/s
  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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    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 = ?
    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 : 5 s
    3. ω ≈ 1,26 1/s
    Ergebnis:
    1,26 1/s
  2. ●2
    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 = ?
    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 800 Umdrehungen je Minute. Wie groß ist ihre Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    800 Umdrehungen je Minuteω = ?
    Lösung zeigen
    1. Drehzahl je Sekunde: f = 800 : 60 s = 13,3 1/s
    2. Eine Umdrehung ist der Winkel 2π: ω = 2π · f
    3. ω = 2π · 13,3 1/s
    4. ω ≈ 83,8 1/s
    Ergebnis:
    83,8 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 10 m, gleichmäßig mit 15 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
r = 10 mv = 15 m/sa_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (15 m/s)² : 10 m = 225 m²/s² : 10 m
  3. a_r ≈ 22,5 m/s²
  1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
  2. a_r = (15 m/s)² : 10 m = 225 m²/s² : 10 m
  3. a_r ≈ 22,5 m/s²
Ergebnis:
22,5 m/s²

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Zug fährt durch einen Gleisbogen mit dem Radius 400 m, gleichmäßig mit 40 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 400 mv = 40 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 = (40 m/s)² : 400 m = 1600 m²/s² : 400 m
    3. a_r ≈ 4 m/s²
    Ergebnis:
    4 m/s²
  2. ●5
    Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 80 m, gleichmäßig mit 40 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 80 mv = 40 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (40 m/s)² : 80 m = 1600 m²/s² : 80 m
    3. a_r ≈ 20 m/s²
    Ergebnis:
    20 m/s²
  3. ★6
    Eine Achterbahn fährt durch einen Bogen mit dem Radius 12 m, gleichmäßig mit 36 km/h. Wie groß ist die Radialbeschleunigung, und wohin zeigt sie? Berechne mit Einheit.
    r = 12 mv = 36 km/ha_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Erst umrechnen: v = 36 km/h : 3,6 ≈ 10 m/s
    2. a_r = v² : r, die Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt.
    3. a_r = (10 m/s)² : 12 m
    4. a_r ≈ 8,33 m/s², zur Mitte der Kurve
    Ergebnis:
    8,33 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

Ein Kind auf einem Karussell der Masse 50 kg bewegt sich mit 2 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 3 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
r = 3 mv = 2 m/sF_r = ?
Schritt für Schritt
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 50 kg · (2 m/s)² : 3 m
  3. F_r ≈ 66,7 N
  1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
  2. F_r = 50 kg · (2 m/s)² : 3 m
  3. F_r ≈ 66,7 N
Ergebnis:
66,7 N

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Kind auf einem Karussell der Masse 40 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 = 40 kg · (4 m/s)² : 4 m
    3. F_r ≈ 160 N
    Ergebnis:
    160 N
  2. ●8
    Eine Radfahrerin mit Rad der Masse 80 kg bewegt sich mit 10 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 12 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 12 mv = 10 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 80 kg · (10 m/s)² : 12 m
    3. F_r ≈ 667 N
    Ergebnis:
    667 N
  3. ★9
    Ein Hammerwerfer dreht einen Hammer der Masse 4 kg auf einem Kreis mit r = 2 m, 2-mal je Sekunde. Welche Kraft braucht er zur Mitte hin? Berechne mit Einheit.
    r = 2 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 · 2 m
    4. F_r ≈ 1260 N
    Ergebnis:
    1260 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?

Die Erde läuft auf einer fast kreisförmigen Bahn um die Sonne. Welche Kraft hält sie auf dieser Bahn?
zur MitteErde 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 Gravitationskraft der Sonne
  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 Sonne
Ergebnis:
die Gravitationskraft der Sonne

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
    Der Mond umkreist die Erde. Welche Kraft wirkt als Radialkraft?
    zur MitteMond 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
    Ergebnis:
    die Gravitationskraft der Erde
  3. ★12
    Bei einem Kettenkarussell hängen die Ketten schräg nach außen. Welche Kraft liefert die Radialkraft?
    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 waagerechte Komponente der Kettenkraft
    Ergebnis:
    die waagerechte Komponente der Kettenkraft

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 Madrid auf einem Kreis mit r = 4850 km um die Erdachse, einmal in 24 h. Wie schnell bewegt er sich in m/s?
r = ?r = 4850 kmv = ?
Schritt für Schritt
  1. r = 4850 km = 4.850.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
  2. v = 2π · r : T
  3. v = 2π · 4.850.000 m : 86.400 s
  4. v ≈ 353 m/s
  1. r = 4850 km = 4.850.000 m und T = 24 · 3600 s = 86.400 s
  2. v = 2π · r : T
  3. v = 2π · 4.850.000 m : 86.400 s
  4. v ≈ 353 m/s
Ergebnis:
353 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 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
    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
  3. ★15
    Berlin liegt auf etwa 52,5° 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 = 52,5°Weg in 1 h = ?
    Lösung zeigen
    1. Abstand zur Erdachse: r = R · cos φ = 6371 km · cos 52,5° ≈ 3880 km
    2. Umfang des Kreises: 2π · r ≈ 24.400 km
    3. In einer Stunde schafft die Stadt ein 24stel davon.
    4. s = 2π · r : 24 ≈ 1020 km
    Ergebnis:
    1020 km

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●16
    Eine Drehtür dreht sich gleichmäßig und braucht für eine Umdrehung T = 12 s. Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit ω? Berechne mit Einheit.
    T = 12 sω = ?
    Lösung zeigen
    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
  2. ●17
    Ein Kettenkarussell hat einen Radius von 7 m und braucht für eine Umdrehung 4 s. Wie schnell bewegt sich ein Punkt am Rand? Berechne mit Einheit.
    r = 7 mT = 4 sv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = 2π · r : T
    2. v = 2π · 7 m : 4 s
    3. v ≈ 11 m/s
    Ergebnis:
    11 m/s
  3. ●18
    Ein Rennwagen fährt durch eine Kurve mit dem Radius 100 m, gleichmäßig mit 50 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 100 mv = 50 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialbeschleunigung zur Kreismitte: a_r = v² : r
    2. a_r = (50 m/s)² : 100 m = 2500 m²/s² : 100 m
    3. a_r ≈ 25 m/s²
    Ergebnis:
    25 m/s²
  4. ●19
    Eine Murmel rollt durch eine halbkreisförmige Rinne auf einem Tisch und verlässt sie am Ende. Wie rollt sie weiter?
    Murmel?
    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 in der Richtung, die sie am Ende der Rinne hatte
    Ergebnis:
    geradeaus in der Richtung, die sie am Ende der Rinne hatte
  5. ●20
    Ein Motorrad mit Fahrer der Masse 300 kg bewegt sich mit 15 m/s auf einem Kreisbogen mit r = 40 m. Wie groß ist die nötige Radialkraft? Berechne mit Einheit.
    r = 40 mv = 15 m/sF_r = ?
    Lösung zeigen
    1. Radialkraft zur Mitte: F_r = m · v² : r
    2. F_r = 300 kg · (15 m/s)² : 40 m
    3. F_r ≈ 1690 N
    Ergebnis:
    1690 N
  6. ●21
    Durch eine Kurve fährt eine Radfahrerin mit der Radialkraft F_r = 1,5 kN. Wie groß ist sie bei gleicher Geschwindigkeit in einer Kurve mit vierfachem Radius? Berechne mit Einheit.
    vorher F_r = 1,5 kNF_r neu = ?
    Lösung zeigen
    1. F_r = m · v² : r, bei gleichem v steht der Radius unter dem Bruchstrich.
    2. 4-facher Radius heißt ein Viertel der Kraft.
    3. F_r = 1,5 kN : 4 = 0,375 kN
    Ergebnis:
    0,375 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 Auto fährt durch eine Kurve mit dem Radius 25 m, gleichmäßig mit 10 m/s. Wie groß ist die Radialbeschleunigung? Berechne mit Einheit.
    r = 25 mv = 10 m/sa_r = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4 m/s²

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

    24
    Ein Wagen der Achterbahn der Masse 400 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
    Ergebnis:
    4800 N

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

    25
    Ein Bus fährt auf ebener Straße durch eine Kurve. Welche Kraft hält das Fahrzeug auf der Kreisbahn?
    zur MitteBus von obenF_r kommt woher?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin

  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 Kinderkarussell 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
    Ergebnis:
    1,26 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. 1,26 1/s
  2. 1,05 1/s
  3. 83,8 1/s
  4. 4 m/s²
  5. 20 m/s²
  6. 8,33 m/s²
  7. 160 N
  8. 667 N
  9. 1260 N
  10. die Gravitationskraft der Erde auf den Satelliten
  11. die Gravitationskraft der Erde
  12. die waagerechte Komponente der Kettenkraft
  13. 282 m/s
  14. 463 m/s
  15. 1020 km
  16. 0,524 1/s
  17. 11 m/s
  18. 25 m/s²
  19. geradeaus in der Richtung, die sie am Ende der Rinne hatte
  20. 1690 N
  21. 0,375 kN
  22. 2,09 1/s
  23. 4 m/s²
  24. 4800 N
  25. die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, zur Mitte hin
  26. 232 m/s
  27. 1,26 1/s