Eine schwere Physik Aufgabe über schnelle Autos?

"Walking in a winter wonderland" dichtete Richard B. Smith vor fast 90 Jahren. Tja, was nicht überliefert wurde war der vollständige Titel "Doing Experimentalphysics 1 exercices at home, while everyone else's walking in a winter wonderland". Naja gut, dann wollen wir mal wieder

Aufgabe

Ein Auto der Masse m = 1,2 t habe einen Motor mit 100 PS.

a) Welche physikalische Größe beschreibt die Angabe 100 PS? Welche EInheit und welchen Wert hat diese in SI-Einheiten?

b) Wie viele Sekunden t benötigt dieses Auto um die Geschwindigkeit von 0 km/h auf 100 km/h zu steigern? Wir gehen der Einfachheit von einer Beschleunigung mit konstantr Leistung aus, d.h. während der kompletten Beschleunigungsphse t laufe der Motor mit der maximalen Leistung. Wie hoch ist die mittlere Beschleunigung a ?

c) Welche Höchstgeschwindigkeit kann das Auto erreichen? Bei hohen Geschwindigkeiten ist die Luftreibung die dominierende Reibungskraft, deswegen gehen wir hier davon aus, dass diese die einzige Reibungskraft sei. Der Querschnitt sei A = 2;5m², der cw = 0;25 und die Luftdichte p = 1,2 kg/m³ .

d) Wie viel PS müsste das Auto besitzen, um eine doppelt so hohe Höchstgeschwindigkeit zu besitzen?

e) Eine Beschleunigung mit konstanter Motorleistung wie in Teilaufgabe b) ist in der Praxis nicht machbar. Aber auch theoretisch bringt dies einige Probleme mit sich: Wie verläuft die zeitliche Entwicklung der Geschwindigkeit v(t) und der Beschleunigung a(t) während der Beschleunigungsphase mit konstanter Leistung (ohne Reibung)? Wo könnte hier das Problem liegen?

f) Eine Beschleunigung mit konstanter Kraft (genauer Drehmoment der Räder) ist eine etwas bessere Näaherung. Welche Maximalleistung müsste der Motor des Autos besitzen, um in gleicher Zeit wie in Teilaufgabe b) von 0 km/h auf 100 km/h diesmal allerdings gleichmäßig (a(t) konstant) beschleunigen? Reibungskräfte seien vernachlässigt.

Jensek81'scher Ansatz:

a) PS beschreibt Leistung.
1 PS = 735,55 Watt

=> 100 PS = 73550 Watt

b) v = v0 + a * t

Da v0 = 0 => v = a * t

v = 100 km/h => 250/9 m/s

=> a = v/t

=> t = v/a
Und hier komm ich jetzt nicht weiter, da ja v von a abhängt und t von a. Schöne Schokolade!

c) Luftreibungskraft F = 1/2 cw * A * p * v²max

=> vmax = 3. Wurzel aus (2*P/ cw * A * p)

= 3. Wurzel aus (2 * 73550 Watt / 0,25 * 2,5 * 1,2) = 57,2 m/s

d) Leistung prop zur 3. Potenz der Geschwindigkeit => 2³ = 8
8 * 73550 W = 5588400 W

=> 5588400 W / 735,5 W/PS = 800 PS

e) F = P/v => a = (P/v)/m = P/mv
Problem: Geschwindigkeit v könnte unbegrenzt wachsen => limes von a geht gegen null

f) a = delta v / t = (100 km/h - 0 km/h )/ t

Hier ist jetzt das Problem'sche daß ich t aus Aufgabe b) nicht weiß.
Im Endeffekt wär der Spaß dann
F = m* a => P = m * a * v = 1200 kg * [ delta v / t = (100 km/h - 0 km/h )/ t ] * [ a0 + a t]
Hier komm ich jetzt aber nicht weiter wegen dieser "kann a ohne t nicht lösen" und "t nicht ohne a".

Ich hoffe ihr seid jetzt nicht wegen dieser Aufgabe erfroren.
Liebe Grüße,
Marius Müller Westernhagen

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Schiefe Ebene mit Rollreibung?

Eine Ära geht zu Ende - nach 42 Jahren lief gestern die allerletzte Ausgabe "Wetten daß?!". Doch unser "Experimentalphysk 1" und "Plasmaphysik"-Professor denkt nicht im Traum daran aufzuhören. Viel eher beglückt er uns dieses Wochenende mit folgender Aufgabe:

Ein Wagen der Masse m = 30 kg habe eine Anfangsgeschwindigkeit v0 = 15 m/s und rolle von unten eine schiefe Ebene mit einem Anstellwinkel von α = 10◦ nach oben

a) Welchen Weg s legt der Wagen bis zum Stillstand zurück, und welche Höhe erreicht er dabei? Wir gehen von einer reibungsfreien Bewegung aus.

b) Zeige mittels den Bewegungsgleichungen, dass die erreichte Höhe unabhängig vom Anstellwinkel α und der Masse m des Wagens ist. Ist die benötigte Zeit bis zum Stillstand auch unabhängig von dem Winkel und der Masse?

c) Nun berücksichtigen wir eine Rollreibung von μ = 0,05. Welche Höhe erreicht der Wagen nun? Ist die erreichbare Höhe immer noch unabh¨angig vom Anstellwinkel und der Wagenmasse?

Jensek81'scher Ansatz:

a) Epot = Ekin

mgh = 1/2 m v0² | geteilt durch mg

h = 1/2 m vo² / mg = 1*mvo² / 2 * mg = v0² / 2g
= (15m/s)² / 2 * 9,81 m/s = 11,47 m

Weg: sin α = h/s | geteilt durch s

sin α * s = H | geteilt durch sin α

s = h / sin α

= 11,47m / sin (10◦) = 66,05 m

b) Da h = v0² / 2 g ist die Höhe von der Geschwindigkeit abhängig, aber nicht von Anstellwinkel α und Mase.

Fr = Fg * sin ◦ = mg * sin ◦

s = 1/2 a t² + v_0 * t

a = -Fh/M

s => s = 1/2 (-Fh/M) t² + v_0 * t = - Fh/M t + vo

Fh/m t = v0 | geteit durch Fh/m

=> t = v0m/Fh = (vo * m) / (m * g * sin α) = vo/ (g * sin α) => abhängig von Winkel α, aber Masse kürzt sich raus.

c) E_gesamt = Epot + E_kin - Reibungsarbeit

1/2 m v² = m g h + 1/2 m v0 ² - μ * FN * s

1/2 m v² = ( m g h + 1/2 m v²- μ * m * g * s

1/2 m 0² = g h + 1/2 v0 - μ * g * s

0 = g * h + 1/2 v0 - μ * g * s | + μgs

g h + 1/2 v0 = μ g s | - 1/2 0

gh = μgs - 1/2 v0 | g

h = (μgs - 1/2 v0 ²) / g

h = (0,05 * 9,81 m/s - 66,05 m - 1/2 * 15 m/²)/(9,81 m/s)

und da kommt 'ne negative Höhe raus. Und das macht mich fertig...

Jensek81'sche Grüße,
Jesek81

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Panische Angst vor Experimentalphysik 1?

Good night, in the night. Das neue Semester läuft seit 5 Wochen und ich bin total aus dem Häuschen wie Nachbars Lumpi. Ich habe im Sommersemester angefangen zu studieren und habe dort die Vorlesung "Experimentalphysik 2" gehört und gut bestanden (Nicht zuletzt auch dank euer tollen Hilfe hier auf Gutefrage.net). Jetzt komm ich ins Wintersemester, wo "Experimentalphysik 1" ansteht - und ich bin total am Durchdrehen.

Ich bin in jeder Vorlesung und Übung. Ich bereite jede Vorlesung im Skript nach und recherchier auf einschlägigen Seiten. In der Vorlesung komm ich eigentlich auch sehr gut mit, da dort eigentlich hauptsächtlich die Theorie erklärt wird. Unser aktuelles Thema ist z.b. Reibung - da erzählt der Dozent dann bisschen was zur Haftreibung, Gleitreibung, partielle Vektorintegration usw. Alles easy peasy taco breezy.

Doch das große Problem sind die Übungsaufgaben. Ich sitz vor den Aufgaben und bin komplett fertig! Ich weiß gar nicht wo oben und unten und vorne und hinten ist. Um ein Beispiel zu geben, das ist unsere dieswöchige Aufgabe.

So, da fängst's schon an. Ist das jetzt ein schiefer Wurf? Ein schräger Wurf? Ein seitwärter Wurf? In der Vorlesung hatten wir die Formel gelernt y0 = 1&2 g t² + (-v0 * sin alpha t). So, jetzt steht in den Musterlösung y0 = 1/2 * s * t². Why??? 😂😂

So, nächstes Problem:

Hier wird jetzt der Wurf in vertiakle und horizontale Richtung gesplittet. . Jetzt wird auf einmal doch y0 = 1&2 g t² + (-v0 * sin alpha t ) für die vertiakel Richtung benutzt. Das wird dann nach t aufgelöst und in die horizontale Richtung "vo cos alpha" t" eingesetzt. Wie kommt man da drauf? Warum wird der vertikale Term mit dem Sinus nach t aufgelöst und dann in den horziontalen Term mit Cosinus eingesetzt??? Wieso nicht den Cosinustermin nach t auflösen und in den Sinus reinsetzen? Da könnt ich genau so gut sagen "den schrägwärtsten Term in den Term mit doppelten Salto und Tangens" einsetzen. Das ist alles so willkürlich und verwirrend.

Ein Problem ist auch, dass die Übung überhaupt nicht auf die Vorlesung zugeschnitten ist. Wir mussten in der letzten Übung von letzte Woche z.b. schon partielle Integration machen und in der Vorlesung wurde erst diese Woche der Begriff des Integrals eingeführt. Die Vorlesung ist eher so lustige Quasselrunde mit Experimenten und dann sitzt man vor der Übung wie ein Ochs vorm Berg.

Mir ist bewusst, dass man sich als Student viel selbst erarbeiten muss, aber ich sitz teilweise bis 5 Uhr morgens an den Blättern, hau mir die Nächte um die Ohren und check null. Heute hab ich z.b. von 13 Uhr bis Mitternacht an einem Blatt gehockt und dann guck ich mir ide Musterlösung an und denk mir "Da wär ich nie im Leben draufgekommen??".

In "Experimentalphysik 2" (Elektrodynamik) war alles klar definiert. Es gab Maschenregel, Knotenregel usw. Man wusste was zu tun war. Jetzt in "Experimentalphysik 1" (Mechanik) ist jede Aufgabe komplett anders. Wir hatten z.b. letzte Woche auch Aufgabe, wo ein Rettungshwimmer ins Meer springt ,also auch mit Geschwindigkeit und Winkeln - aber komplett andere Formeln.

Da musste man dann auf irgendwelche Doppelbrüche kommen

Ich weiß überhaupt nicht wie ich da ohne Lösung draufgekommen wär. Meine Kommilitonen schieben auch schon alle die Panik. Unser Dozent hat auch schon stolz präsentiert, dass die Durchfallquote bei ihm relativ hoch ist.

Eine Möglichkeit wäre noch Physik zu schieben. Die Aufgaben des Dozenten der nächstes Jahr an der Reihe sind sind relativ kürzer und er sagt auch selbst, dass die Klausuraufgaben bei ihm "sehr ähnlich" zu seinen Übungsaufgaben sein werden.

Wie habt ihr euch damals Mechanik auf die Kette geschafft? Irgendein hilfreiches Buch, Seite etc?
Wie kann ich die verschiedenen Fälle unterscheiden, damit ich schnell weiß welche Formel in welcher Situation anwendbar ist? Woher weiß ich z.b. "Ah, das ist jetzt schiefer Wurf - ach da muss ich jetzt vertikale Komponente nach t auflösen und in horizontale einsetzen!" Wie kann ich lernen die Aufgaben richtig zu lösen?

Mit verzweifelten Grüßen,
Jensek81

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Trägheitsprinzip Auto?

Hallo, ich habe eine kleine Frage.

Wenn ein Auto beschleunigt, wird man an den Sitz gepresst. Man wird nicht gegen den Sitz gepresst, wenn man sich mit der gleichen Geschwindigkeit, wie des Autos, bewegt. Jetzt zur Vorstellung: Jeder Körper ist träge, was bedeutet, dass er seinen Bewegungszustand beibehalten möchte. Wenn also durch das Auto eine Geschwindigkeit von 50 Kmh auf die Person übertragen wurde, dann wird er auch weiterhin mit 50kmh fahren wollen. Jetzt zu meiner Erklärung, wodurch man nach hinten gepresst wird und später zu meiner Frage: Wenn wir uns auf das Experiment der Münze und des Papiers beziehen, wobei das Papier unter Münze weggezogen wird, wird deutlich, dass je schwerer die Masse, desto langsamer müssen wir ziehen, um die Münze mitzubewegen. Es muss langsam erfolgen, damit sich die "Zugkraft" durch das Ziehen, lange genug entwickeln kann, um dem entgegengesetzen Widerstand (durch die Münze) entgegenzukommen/sie zu überwinden, sodass die Münze mitkommt. Im Auto sind wir die Münze. Wenn das Auto zu "schnell" beschleunigt, wird nicht genug "Zugkraft" (wie sollte man das hier nennen) entwickelt, um die Bewegungsänderung einzuleiten, sodass unser Körper stehen bleiben würde, bzw mit der Geschwindigkeit weiter fahren würde, die er hätte. Das bedeutet in der Theorie, dass wir vom Auto rauslassen würden, beziehungsweise nicht mehr im Auto sein könnten, da das Auto unser Bewegung nicht beeinflussen konnte. Wir müssten also vom Auto (nach hinten) "rausfliegen". Da jedoch ein Sitz da ist, werden wir dagegen gedrückt und bleiben im Auto. Meine Frage:

1. Wie nennt man das anders, als die Zugkraft?

2. Würde das heißen, dass "leichtere" Menschen weniger stark nach hinten gedrückt werden? Wenn ja warum eigentlich? Ich meine, wenn die Zugkraft/Beschleunigung nicht ausgereicht hat, um die Bewegungsänderung einzuleiten, wie soll das dann Auswirkungen auf die Stärke des Drückens haben?

Geschwindigkeit, Beschleunigung, Trägheit, Kinematik
Ist die Fallbeschleunigung eines Körpers, wenn man diesen zusätzlich mit einer gewissen Kraft zum Boden hin anschubst, größer als die normale von 9,81m/s2?

Also ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich das so richtig durchdacht habe, deshalb würde ich mich echt freuen, wenn ihr mir das sagen könntet:D

Wenn man jetzt auf der Erde steht und einen Körper hat, z. B. einen Ball, und diesen auf einer bestimmten Höhe hält, dann ist die Beschleunigung erstmal 0m/s2, der Körper ist im Stillstand, weil der Körper (Ball) dann eine Kraft (also die Gewichtskraft des Körpers) auf die Halterung (Hand) wirkt, die Hand aber eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf den Ball ausübt (3. Newtonsches Gesetz). Wenn man diesen dann loslässt, wirkt nur noch die Gewichtskraft auf den Ball, und er fällt mit einer konstanten Erdbeschleunigung von 9,81m/s2, wobei die Geschwindigkeit mit der Strecke, die der Ball gefallen ist, konstant zunimmt.

Das heißt dann:

Fges=Fg

m*a=m*g geteilt durch m

a=g

und die Beschleunigung auf der Erde ist rund 9,81m/s2.

Jetzt habe ich mir aber diese Frage gestellt:

Wenn man diesen Körper nicht einfach nur fallen lässt, sondern ihn noch Richtung Boden anschubst, fällt er ja schneller, also mit einer größeren "Anfangsgeschwindigkeit", als wenn man ihn nur fallen lässt. Das heißt, auf den Körper wirkt nicht nur dessen Gewichtskraft, sondern auch die Kraft, mit der man anschubst.

Das müsste dann heißen, dass die resultierende Kraft sich aus der Gewichtskraft plus der "Anschubkraft" zusammensetzt (wegen dem Superlationsprinzip/4.Newtonschen Gesetz).

Fges=Fg+Fa

wenn man dann das 2. Newtonsche Gesetz mit F=m*a nimmt, müsste dann sowas rauskommen:

m*ages=m*g+m*a1

Man kann dann ja die Masse m rauskürzen, indem man geteilt durch die Masse rechnet, weil die Masse ja gleich bliebt.

dann würde sowas rauskommen:

ages=g+a

Heißt das dann, dass die Beschleunigung, wenn man den Körper (Ball) zusätzlich anschubst, größer ist als die Beschleunigung wenn man den Körper (Ball) nur normal fallen lässt? Und ist meine Betrachtung richtig?

Also, dass ages > 9,81 m/s2

Oder habe ich einen Denkfehler? Wenn ja, dann ist meine Frage, warum der Körper dann mit einer größeren Geschwindigkeit fällt und somit schneller auf dem Boden aufschlägt, wenn er noch angeschubst wird, als wenn er nur fallengelassen wird?

Bewegung, Geschwindigkeit, Energie, Kraft, Beschleunigung, Formel, Gravitation, Mechanik, Physik, Physiker, freier Fall, Gewichtskraft, Kinematik, Newtonsche Gesetze, Spannenergie
Physikleistungskurs-Aufgabe zum Energieerhaltungssatz (Physik, Schule, Oberstufe, Klausurvorbereitung)?

Frage zu der untenstehenden Aufgabe, wie man diese löst und darunter kommen meine Gedanken zu der Aufgabe (mit denen ich aber nicht richtig weiterkomme).

Ich habe in Physik diese Aufgabe bekommen:

Hakt man eine Kugel an eine entspannte Schraubfeder, die an einem Stativ hängt, und lässt die Kugel los, so zieht sie diese Feder um das Doppelte der Strecke nach unten, die sich ergibt, wenn man die Kugel langsam mit der Hand nach unten führt, bis sie ihre Gleichgewichtslage, an der der Feder hängend, erreicht hat. Zeigen Sie, dass diese Beobachtung mit dem Energieerhaltungssatz übereinstimmt.

Mein Lösungsansatz dafür wäre, dass man erstmal zwei Versuche annimmt, die eine gemeinsame Ausgangslage 0. haben:

0 . Die Feder ist entspannt, und das Massestück ist erstmal noch fest.

  1. Wenn die Kugel mit der Hand nach unten geführt wird, bis sie ihre Gleichgewichtslage, an der Feder hängend, erreicht hat.
  2. Wenn die Kugel einfach so losgelassen wird und die Feder um das Doppelte der Strecke von 1. nach unten gezogen, bis sie auch ihre Gleichgewichtslage erreicht hat.

Mein Gesamtgedanke war, dass die potenzielle Energie von 0. bei 1. in Spannungsenergie und kinetische Energie der Hand umgewandelt wird, bei 2. nur in Spannungsenergie.

Bei 0. wirkt die Gewichtskraft auf das Massestück mit Fg= m*g.
Dabei hängt das Massestück über einer bestimmten Höhe h über dem Nullniveau des Bezugskörper Erde.
Die Federspannkraft bei 0. Fsp ist gleich 0 N, weil die Feder entspannt ist und der Weg der gespannten Feder s=0m ist.
Die Formel für die Federspannkraft ist Fsp= D*s.
Bei beiden Versuchen bleiben die Masse m, die Fallbeschleunigung g und die Federkonstante D gleich. Deswegen ist die Gewichtskraft bei beiden Versuchen gleich. Jedoch ändert sich der Weg s und die Höhe h bei beiden Versuchen und damit auch die Federspannkraft.

Die Spannkraft Fsp wirkt in die gleiche Richtung wie die Gewichtskraft Fg und den Weg s.

Bei 1. wird die Feder nun mit der Hand um die bestimmte Länge s gedehnt, die Höhe h ändert sich, indem h1=h - s. Mit der Hand führt man eine Bewegung aus, weswegen ich meinen würde, dass dort auch irgendwie kinetische Energie ins Spiel kommt?

Bei 2. wird die Feder um den Doppelten Weg s von 1. , also 2*s, gedehnt und die Höhe h ändert sich, indem h2=h - 2*s.

Bei 0. ist keine Spannkraft vorhanden, also auch keine Spannenergie. Es ist aber die Gewichtskraft vorhanden, weswegen es eine potenzielle Energie Epot gibt. Diese ist Epot = m * g * h.
Bei 1., wie auch 2., wird die potenzielle Energie Epot in jeweils unterschiedliche Spannenergie umgewandelt, weil bei 1. und 2. Spannkraft unterschiedliche Fsp vorhanden ist. Diese hängt ausschließlich vom Weg s ab.

Ich würde jetzt davon ausgehen, dass bei 1. der doppelte Weg 2*s durch die Hand und das Massestück vollführt würden (gleichzeitig und deswegen ist das die Hälfte von Weg 2*s in 2.), während bei 2. die Hand wegfällt und somit der Weg s von der Länge her, doppelt so lang ist, wie der in 1. .

Aber jetzt komme ich nicht weiter... Und ich weiß auch nicht, ob ich irgendetwas falsch gemacht habe, aber ich hoffe, ihr könnt mir helfen:D

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