Frage von lateinchiller, 61

Wie kann man physikalisch erklären, dass ein Faden reißt, wenn ich ihn an einen Stein anknote und ruckartig ziehe, aber nicht reißt, wenn ich langsam zieht?

Kann mir da jemand eine physikalische Erklärung liefern ? Ich hätte jetzt gesagt: Beim ruckartigen Ziehen ist die Trägheitskraft sehr hoch, diese kommt zu der Masse(Gewichtskraft ?!) des Steines hinzu, deshalb muss hier eine sehr hohe Kraft aufgewendet werden, die der Faden nicht aushält. Beim langsamen Ziehen dagegen ist die Trägheitskraft sehr gering, hier kann man sagen, dass nur die Masse des Steins auf den Faden wirkt. Diese ist aber so gering, dass der Faden nicht reißt.

Geht das so ? Bitte um Verbesserungsvorschläge. Vielen Dank schonmal.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Comment0815, 45

Bei einem Ruck ist die Kraft viel größer. "Ruckartig" bedeutet "große Beschleunigung". Es gilt

F=m*a

Da die Masse m konstant ist steigt die Kraft F proportional zur Beschleunigung a. Das kommt durch die Trägheit der Masse zustande.


Kommentar von lateinchiller ,

Vielen Dank. Würde meine Erklärung aber auch durchgehen ? Muss man nicht in die Erklärung noch das Wort "Trägheit" reinbringen ?

Kommentar von Comment0815 ,

Ich hab an meiner Frage noch einen Satz zur Trägheit editiert. Vielleicht hast du den übersehen.

Tut mir Leid, ich hab gar nicht gesehen, dass du einen ausführlichen Text geschrieben hast. Ich hab nur auf den Titel geantwortet.

Ja, deine Erklärung ist völlig richtig. Wenn du das ganze jetzt noch in eine physikalische Gleichung packen willst gilt:

F=m*a+Fg

Also die Kraft F, die auf den Faden wirkt setzt sich zusammen aus der Trägheitskraft (m*a) und der Gewichtskraft Fg. Also steigt die Kraft linear mit der Beschleunigung.

Kommentar von lateinchiller ,

Vielen Dank nochmal, kannst Du bitte mal gucken, ob die Erklärung zu einem Versuch, wo ein Blatt Papier unter einem Becherglas weggezogen wird, so gut ist ? Dann lass ich Dich auch in Ruhe :). Erklärung: Die resultierende Kraft, die auf das mit Wasser gefüllte Becherglas wirkt, ist gleich null (Reibung durch Wegziehen des Papiers wird vernachlässigt, das sehr gering). Nach dem Trägheitsgesetz verharrt das Becherglas deshalb in seinem Bewegungszustand, der Ruhe, und bewegt sich nicht mit dem Papier weg. -- Reicht das so oder muss da noch was von ruckartig, schnelle Beschleunigung, etc rein ? Beobachtung ist: "Beim ruckartigen Wegziehen des Papiers wird das Becherglas nicht mitgezogen, das Bechergkas bleibt auf dem Tisch stehen."

Kommentar von Comment0815 ,

Ruckartig ist schon wichtig. Wenn die Beschleunigung zu gering ist wird die Haftreibungskraft nicht überwunden und das Glas wird mit dem Papier wegbewegt.

Deine Erklärung ist gut.

Kommentar von lateinchiller ,

Ist die Erklärung also so zu 100% vollständig, oder muss von "ruckartig" noch was rein, oder reicht das, wenn es in der Beobachtung so steht.

Kommentar von Comment0815 ,

Ruckartig muss noch mit rein. Denn nur dann kann die Reibung vernachlässigt werden, weil dann die Reibung gegenüber der Trägheitskraft sehr gering ist.

Wenn du langsam am Papier ziehst ist die Reibung nicht zu vernachlässigen, weil die Trägheitskraft nicht größer ist als die Reibung.

Kommentar von Comment0815 ,

Danke für den Stern. =)

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 13

Das ist fast korrekt und brauchbar.

Hier spielen 2 Kräfte eine Rolle: die Trägheitskraft und die Reibungskraft, die zwisschen Stein und Erde aufgrund des Gewichts des Steines wirkt. Es wirkt also nicht "die Masse" sondern die Reibungskraft beim langsamen ziehen.

Fges = Fr + Ft
Fr = μ * m * g (Reibungskraft)
Ft = m * a (Trägheitskraft)

mit Fges = μ * m * g + m * a

sieht man die beiden Stellen, an denen man Fges beeinflussen kann:
μ = Reibungskoeffizient: man kann den Stein auf Rollen legen oder die Auflage kräftig schmieren.
a = Beschleunigung. Hängt davon ab, wie schnell man zieht.

an m und g kann man nichts ändern, außer man zerschlägt den Stein oder macht den Versuch auf dem Mond.

Antwort
von Bujin, 23

Um die Antwort ganz wissenschaftlich raus zu finden müsstest du folgendes tun: 

An den Faden hängst du unterschiedliche Gewichte dran. Du erhöhst das Gewicht so lange bis es von alleine reist und schreibst natürlich alles sauber auf. Jetzt weißt du ungefähr wie viel Kraft nötig ist um den Faden zu zerreißen. Das gleiche machst du indem du an dem Faden ziehst. Da man schwer errechnen kann wie viel Beschleunigung der Faden aushalten muss, wäre es am besten wenn du statt ruckartig zu ziehen den Faden samt Gewicht schleuderst. Mit einer Kamera kannst du zB. festhalten bei wie viel Umdrehungen pro Sekunde das Seil jeweils reist. Mit Umdrehungen, Seillänge und Gewicht kannst du berechnen wie hoch die Beschleunigung war!  

Deine wissenschaftliche Arbeit hat nun den Zweck vorauszusagen wie viel Kraft so ein Seil aushält. Dazu kannst du beide Ergebnisreihen nehmen und eine Formel aufstellen mit der man vom ersten Versuch, auf den zweiten Versuch schließen kann. Also mit dem Gewicht alleine könntest du ausrechnen wie viel Beschleunigung nötig wäre um das Seil zu zerreißen. Der zweite Versuch wäre quasi nur zur Bestätigung gedacht. 

Versuch deine Formel übrigens so umzustellen dass höchstens eine Kommazahl enthalten ist. Der Rest sollte idealerweise aus Variablen wie zB. die Masse m oder die Gravitationsbeschleunigung g bestehen. Diese eine Kommazahl die die Formel besonders macht, wäre dann die Seil-Konstante. Jedes Seil hätte eine andere so dass du deine Formel für alle möglichen Seile wiederverwenden könntest.

Deine wissenschaftliche Arbeit hätte gezeigt, dass Faden ab einer bestimmten wirkenden Kraft reißen und du könntest daraus schließen, dass die Kraft die auf einen Faden wirkt beim ruckartigen Ziehen größer sein muss als beim langsamen Ziehen. 

Anwendungsmöglichkeiten für deine Formel gäbe es auch viele! Überall wo es wichtig ist zu wissen ob ein Seil reißt oder nicht könnte man sie benutzen um das herauszufinden. zB. bei Hängebrücken, Fahrstühlen, Abschleppseilen, Fahrradketten usw. 

Antwort
von apophis, 21

An sich ist Kraft ja Masse*Beschleunigung.
Ziehst Du langsam, hast Du anfangs keine und, jenachdem wie stark Du ziehst, nur eine relativ langsame Beschleunigung. Entsprechend ist die Kraft nur gering.

Ziehst Du ruckartig, hast Du eine hohe Beschleunigung, viel höher, als wenn Du ziehen würdest. Entsprechend wird auch mehr Kraft angewendet.

Die Masse des Steines und deren Trägheit bilden dabei eine Gegenkraft.
Ist Deine aufgebrachte Kraft, also das Ziehen, nicht stark genug, bewegt sich der Stein nicht. Ist sie es doch, bewegt er sich.
Ist der Faden nicht stabil genug, reisst er. Egal ob ziehen oder ruckartig, sofern die Kraft groß genug ist.

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