Physik Energie, zugkraft
Ich weiß die Aufgabe ist nicht wirklich schwer aber ich versteh sie trotzdem nicht! Ich denke das das längere seil einfacher wäre, aber die Länge keinen Einfluss auf die benötigte Energie hat aber so wirklich verstehen tu ich das nicht! Wir haben diese Aufgabe bereiz in der schule besprochen aber ich kappiers einfach nich! Kann mir vielleicht jemand helfen?:
Frank will seinen Bruder auf einem Schlitten ziehen. Von der Länge der zugseils hängt die Richtung der zugkraft ab, deshalb überlegt er, ob es sich lohnt ein anderes seil anzubinen
a) Hätte er es mit einem längeren oder kürzerem seil leichter?
b) Welchen Einfluss hat die Länge des seils auf die nötige Energie?
Vielen dank schonmal!:)
3 Antworten
a) Frank hätte es mit einem längeren Seil leichter: Bei einem kurzen, steilen Seil zieht er ständig an der Aufhängung des Schlittens nach oben. Damit belastet er seinen Körper unnötig so ähnlich, als würde er einen schweren Rucksack tragen. Das belastet seine Gelenke.
b) Beim kurzen Seil bleibt die Energie des Schlittentransportes unverändert. Aber es wird eine zusätzliche Energie aufgebracht für die Fortbewegung des unnötig belasteten Körpers von Frank.
Diese Frage ist wesentlich komplizierter, als es auf den ersten Blick scheint.
Punkt a) Die Seilkraft
1) Je kleiner der Winkel des Seils zum Boden ist, desto kleiner ist die nötige Seilkraft (weil ein größerer Anteil der Seilkraft parallel zum Schlitten ist)
2) Je größer der Winkel zum Boden ist, desto kleiner ist die Normalkraft der Ebene auf den Schlitten, von dieser hängt dann die Reibkraft an der Schlittenunterseite ab, welche den Schlitten bremst. Je größer der Winkel aber ist, desto kleiner ist die Reibkraft.
Das heißt, die Seilkraft hängt von mehreren Faktoren ab, und man muss schon genau ausrechnen, bei welchem Winkel die Seilkraft ein Minimum hat.
Punkt b) Die Energie
Wenn sich der Schlitten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, dann braucht man auch einen konstanten Energiestrom, um ihn auf gleicher Geschwindigkeit zu halten. Der Energieverlust des Schlittens stammt nämlich von der Unterseite, sprich der Reibkraft. Wenn man Die Energiedissipation im Menschen vernachlässigt (die lässt sich eh nicht exakt berechnen), dann ist die Frage, welche Energie der Mensch aufbringen muss, damit sehr einfach.
Das soll es zunächst gewesen sein, so eine Art Denkanstoß. Wenn du an Rechnungen zu Punkt a) oder b) interessiert bist, dann melde dich. Wie gesagt, die Aufgabe hat es mehr in sich als man denkt.
WEHE, DU BENUTZT DAS ALS HAUSAUFGABE!!!
a) Längeres Seil, da dann das Seil gerader zur Erde liegt und er es mehr gerade ziehen kann
b) Länger = Weniger Energie nötig Kurz = mehr energie nötig
Die Ausführungen berücksichtigen die entscheidende Kraft beim Schlittenziehen, nämlich die Reibkraft, gerade nicht. Diese ist aber beim längeren Seil größer als beim kürzeren Seil, da sie von der Normalkraft der Ebene auf den Schlitten abhängt, und diese vom Winkel des Seils zur Ebene.
Es mag sein, dass die Aufgabe in der Schule so gemeint gewesen sein mag. Klar muss man in der Schule Vereinfachungen machen, diese Vereinfachung hier ist aber so falsch, dass sie das prinzipielle Anliegen der Frage torpediert.
Falsch, die entscheidende Kraft beim Schlittenziehen ist nicht die Gleitreibungskraft, die ist vernachlässigbar klein! Entscheidend ist die Aufteilung der Zugkraft in Normalkraft (senkrechte Schlittenlast) und Beschleunigungskraft (waagerechte).
Je kürzer das Seil, um so mehr muss die Normalkraft (die nicht zur Bewegung beiträgt) aufgebracht werden! Ein längeres Seil (kleinerer Winkel) bedingt fast nur die Zugkraft in Bewegungsrichtung!
Nun ja, die entscheidende Kraft ist schon die Reibkraft, denn genau diese muss als x-Komponente der Seilkraft auch aufgewendet werden. Recht hast du natürlich damit, dass der Gleitreibungskoeeffizient von Stahl auf Eis sehr klein ist (hab gerade mal nachgescheut, liegt bei 0,014 oder so).
Wenn man das durchrechnet, hat man F(Seil) = m * g * mü /(cos(alpha) + mü * sin(alpha)).
Wegen des kleinen mü liegt der optimale Winkel bei 1 Grad, also in der Tat fast waagerecht (ich habe dies in meinem ersten Kommentar noch nicht nachgerechnet, sonst hätte ich den Kommentar vielleicht nicht so formuliert :-))
Um jetzt aber von vornherin dies einfach zu ignorieren, halte ich dennoch für fragwürdig. Du (UlrichNagel) hast Ahnung von Physik und demnach ein Gefühl dafür, was man in welcher Situation vielleicht weglassen kann, dies kann aber im Unterricht so nicht gelingen, zumindest muss man dies thematisieren. Und im übrigen wird der Effekt sehr deutlich, sobald der Gleitreibungskoeefizient größer wird.
Vielen vielen Dank!:D und keine Sorge wir hatten die Aufgabe nicht als Hausaufgaben auf:)