Kinetische Energie und Spannenergie?
Wenn ich ein Gummikatapult habe mit einer Papier Krampe und errechne wie hoch die Krampe fliegen kann dann kriege ich eine höhere Zahl als sie wirklich in echt fliegt
ein Nuter hat gemeint dies liegt an der Luftreibung. Stimmt das? Und kann jemand ausführlich erklären woran das liegt und was genau eine Luftreibung ist
4 Antworten
Halte mal beim Autofahren bei 100kmh die flache Hand aus dem Fenster. Was bemerkst Du?
Stell Dich mal an eine Straße, an der LKW schnell vorbeifahren (Landstraße). Was spürst Du, wenn der LKW vorbeifährt?
Ein Gegenstand, der durch die Luft bewegt wird, muß diese verdrängen. Bei langsamer Bewegung strömt die Luft einfach darum herum. Wird die Bewegung aber schneller, entstehen Zonen, in denen die Luft komprimiert wird. Je nach Form des Gegenstandes und Geschwindigkeit entstehen Zonen mit Auftrieb (wie beim Flugzeugflügel), oder es entstehen Wirbel, die sich in der Luft weiterbewegen. Das ist es, was Du bei dem LKW spürst: zwei starke Druckwellen. Das sind die Wirbel, die sich an der Front und am Heck des LKW lösen. Und jetzt überlege mal: woher kommt die Energie, um die viele Luft in Bewegung zu setzen?
Bei Deinem Katapult ist das genauso. Dabei ist noch zu beachten, dass die Papierkrampe relativ leicht ist, also wenig Energie speichert, aber einen große Fläche hat. Mit einem Stein oder noch besser einer Bleikugel würdest Du Deinem theoretisch errechneten Wert deutlich näher kommen. (Kugel wird von der luft gut umströmt, hat also geringen Luftwiderstand, Blei hat eine hohe Dichte)
Zum Luftwiderstand kommt noch hinzu:
- das Gummiband ist vermutlich nicht wesentlich leichter als die Papierkrampe, wird deshalb mitbeschleunigt und verbraucht dabei Energie.
- Gummi ist nicht rein elastisch, sondern "visko-elastisch", besonders bei hohen Geschwindigkeiten. D. h. es sperrt sich gegen Bewegung ähnlich wie eine viskose (zähe) Flüssigkeit (Öl, Honig). Bei einem Plastik-Umschlag (wie einer Smartphone-Hülle) kann man so etwas beobachten: wenn man es auf den Tisch legt und auf- oder zuklappt, bleibt die Klappe ein paar Sekunden schräg stehen und bewegt sich langsam nach unten; wenn man sie danach wieder ein wenig anhebt, bewegt sie sich sehr schnell wieder nach unten. - Hierbei geht ebenfalls ein beträchtlicher Teil Energie verloren.
Ja, das liegt am Luftwiderstand.
Kennst du das Gesetz von Stokes? Damit kann man die Reibungskraft auf einen Kugelförmigen Körper berechnen, der mit einer Geschwindigkeit v durch ein Medium bewegt wird:
Da dies eine Kraft ist, gilt auch
Die Masse der Papierkrampe ist im Vergleich zum Radius r sehr gering, daher die Beschleunigung recht groß. Beschleunigung heißt hier, Verzögerung, also das Teil wird stark gebremst durch die Luftreibung.
In typischen Textaufgaben zum Wurf eines Körpers hingegen hat dieser Körper ja oft eine recht hohe Masse, sodass die Luftreibung nur zu einer kleinen Verzögerung führt, die in den Aufgaben dann oft vernachlässigt werden kann.
Stimmt das?
Absolut.
Und kann jemand ausführlich erklären woran das liegt und was genau eine Luftreibung ist
Die Luft gleitet leider nicht reibungsfrei an irgendeinem Material vorbei. Die Luftmoleküle, die direkt mit dem Material in Berührung kommen, bleiben daran haften. Die nächsten Moleküle haften wieder etwas an den ersten usw. sodass sich bei jedem Umströmten Körper eine sogenannte Grenzschicht bildet, in der Luftmoleklüe aneinander reiben, was zur Überwindung Kraft kostet, wenn auch nicht viel.
Dazu kommen eventuelle Verwirbelungen, die ebenfalls Luftwiderstand erzeugen. In Verwirbelungen bekommt die Luft Geschwindigkeit und damit kinetische Energie, die dem umströmten Körper entzogen wird.