Einfache Erklärung für die Zentrifugalkraft?
Hallo,
bevor jemand fragt, ich habe bereits gegoogelt. Doch meistens wird als Erklärung etwas genannt wie man spürt eine Kraft nach hinten. Ich möchte es verstehen, kann es aber nicht.
Zudem hätte ich eine Frage bezüglich Zentrifugalkraft und Zentripetalkraft.Nehmen wir an , es gibt eine Achterbahn mit einem Looping und wir betrachten den höchsten Punkt.
Es würde ja gelten:
Zentrifugalkraft=Gewichtskraft ( man „fällt‘‘ nicht runter)
Aber bei Zentripetalkraft= Gewichtskraft , wäre ja nur die Kraft nach unten gerichtet, wie kann man als Außenstehender Beobachter erklären, dass die Personen nicht runterfallen.
vielen Dank
lg
Nehmen wir an , es gibt eine Achterbahn mit einem Looping [...] Aber bei Zentripetalkraft= Gewichtskraft.
Was hat "Zentripetalkraft= Gewichtskraft" mit Achterbahn u. Looping zu tun?
Wir haben in der Schule gelernt,dass im höchsten Punkt des Loopings genau das gilt. Und haben auch damit Berechnungen durchgeführt.
7 Antworten
Imgrunde entsteht die kraft aus folgendem grund:
Ein objekt hat eine geschwinidgkeit in einer bestimmten richtung. Nur wird das objekt dann daran gehindert in diese richtig sich weiter zu bewegen.
Wenn die achterbahn in den looping geht. Wollen die menschen dadrinnen ja ersteinmal geradeaus weiter. das können sie aber nicht weil dort ja die achterbahn ist. Ergo ändert die achterbahn die richtung der bewegung der menschen. Und diese richtungsänderung sprüren wir entsprechend als kraft. Weil es braucht ja eine kraft um die richtung einer bewegung zu ändern.
Ist wie mit dem auto: Wenn du ne kurve fährst. Dann wirste nach aussen gedrückt und musst dann auch mit dem körper dagegen halten.
Beschleinigen und bremsen ist theroretsisch genau das gleiche. Nur das es sich hier eben nicht um eine Kreisbewegung handelt.
Aber bei Zentripetalkraft= Gewichtskraft , wäre ja nur die Kraft nach unten gerichtet, wie kann man als Außenstehender Beobachter erklären, dass die Personen nicht runterfallen.
Weil die bewegungsrichtung noch nicht ganz. oder nur für einen kurzen moment wirklich paralell zur erde ist.
Nimm an das die bahn über kopf gerade weiter fährt. Dann würden die menschen wenn sie oben ankommen, tatsächlich nach unten fallen.
In einem Looping aber gibt es keine gerade strecke. Sie werden ja dann wieder von ihrer geradeausbewegung in eine Kurve gezwungen. Folglich fällt auch niemand herunter.
Oben im looping werden wir aber tstsächlich weniger in den sitzt gedrückt weil die Gravitation ja auch bewirkt das sich unsere vorgestellt "flugbahn" nach unten neigt (ballistischer wurf)
Kurz: Die Zentrifugalkraft ist quasi eine gesonderte bezeichnung für die kraft die man bei einer geschwindigkeitsänderung spürt für den fall das man sich auf einer kreisförmigen bahn bewegt.
Sie entsteht immer daraus das der körper seine Richtung und geschwindigkeit beibehalten will. Aber etwas den Körper daran hindert dies zu tun. z.b. Eben die schiene der achterbahn die verhindert das die achterbahn einfach geradeaus weiter fährt.
Es würde ja gelten:
Zentrifugalkraft=Gewichtskraft ( man „fällt‘‘ nicht runter)
Dies gilt nur im Grenzfall, wo die Geschwindigkeit gerade so gross ist, dass ein Wagen gerade nicht herunterfällt. Bei höherer Geschwindigkeit wirkt auch eine Normalkraft von der Schiene auf den Wagen.
Aber bei Zentripetalkraft= Gewichtskraft , wäre ja nur die Kraft nach unten gerichtet, wie kann man als Außenstehender Beobachter erklären, dass die Personen nicht runterfallen.
Aus Sicht eines Aussenstehenden, also in einem Inertialsystem, ist die Beschleunigung am obersten Punkt ungleich null. Für eine gleichförmige Kreisbewegung ist die zum Mittelpunkt gerichtete (Zentripetal-)beschleunigung
Im Grenzfall, wo die Geschwindigkeit wieder gerade genügend gross ist, dass ein Wagen nicht herunterfällt, wirkt am obersten Punkt nur die Gewichtskraft. Aus der Gleichung F=m*a folgt somit
Den Ausdruck rechts kann man als Zentripetalkraft bezeichnen. Dies ist aber keine zusätzliche Kraft: in diesem Fall ist die Gewichtskraft gerade verantwortlich für die Zentripetalkraft.
Die Zentrifugalkraft ist eine Kraft, die sich einer beliebigen anderen Kraft entgegenstellt oder eine fehlende ersetzen kann.
Jede sich drehende Scheibe z.B. besteht aus mehreren Kreisen, deren Umfang immer größer wird. Aber jeder Punkt auf dem Umfang solch einer Scheibe benötigt auch eine höhere Geschwindigkeit, um synchron mit all den anderen Positionen mitzuhalten zu können.
Das bedeutet, dass auf den äußeren Umfängen sich immer mehr Energie befindet als auf den inneren Umfängen, das Gefälle der Wirkungen zeigt tendenziell nach außen. Während sich z.B. gravitative Wirkungen tendenziell nach innen zeigen.
Höhere Geschwindigkeit bedeutet somit mehr Energie, die sich z.B. auch den gravitativen Kräften entgegenstellen kann, aber sie kann auch eine fehlende Kraft ersetzen. Und wenn man es richtig anstellt, dann kann dich jene Kraft auf den Boden einer sich drehenden Raumstation drücken und die gravitativen Kräfte ersetzen, die im Orbit fehlen.
Sie kann aber auch bestehende Kräfte aufheben, wenn eine Flugbahn entgegen der gravitativen Kraft gerichtet wird, z.B. ein Flugzeug sich auf einer Loopingbahn befindet.
Masse unterliegt der Massenträgheit. d.h. sie will geradeaus fliegen. Wird diese Masse durch eine Zentripetalkraft auf eine Kreisbahn gezwungen (z.B. Stein, der an einer Schnur im Kreis geschwungen wird), entsteht durch die entgegenwirkende Massenträgheit eine nach außen gerichtete Scheinkraft, die Zentrifugalkraft. Lässt man die Schnur los, fliegt der Stein geradlinig tangential weg.
Bei der Achterbahn müssen die nach oben gewölbte Bogenkrümmung (nicht Looping) und die Geschwindigkeit zusammen passen, sodass die Zentrifugalkraft nach oben der Gewichtskraft (Zentripetalkraft) nach unten entspricht. Dann heben sie sich gegenseitig auf und du bist schwerelos.
Auch mit Flugzeugen kann eine sog. Schwerelosigkeitsparabel geflogen werden. Guck mal hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Parabelflug#:~:text=Die%20Dauer%20der%20Schwerelosigkeit%20betr%C3%A4gt,jeweils%20von%20knapp%20600%20m.
Ergänzung: Beim Looping käme allenfalls der obere Teil in Frage, wo die Zentrifugalkraft ebenfalls der Schwerkraft entgegenwirkt. Da lässt sich bei passender Geschwindigkeit auch Schwerelosigkeit erzielen. https://www.gutefrage.net/frage/kraeftegleichgewicht-im-hoechsten-punkt-looping
Mal eine stark vereinfachte Erklärung:
Wenn sich etwas bewegt, dann bewegt es sich so lange mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung, bis eine Kraft etwas daran ändert (Trägheitssatz). Eine "Richtung" ist in diesem Sinne aber aber immer geradlinig. Man stellt sich einfach einen Asteroid in einem völlig leeren Weltraum vor. Wenn man den einmal anschubst, fliegt der auf ewig in die gleiche Richtung.
Eine Kreisbewegung bedeutet also, dass sich die Richtung die ganze Zeit ändern muss. Denn ansonsten würde das Objekt einfach geradlinig weiterfliegen.
Das perfekte Beispiel sind Hammerwerfer. Die beschleunigen eine Kugel an einem Seil im Kreis, indem sie sie an einem Drahtseil festhalten und sich drehen. Aber in dem Moment, indem sie den Griff loslassen, fliegt die Kugel geradlinig davon. Damit die Kugel im Kreis fliegt, muss der Hammerwerfer sie mit Kraft festhalten und so auf eine Kreisbahn zwingen. Sobald er diese Kraft nicht mehr aufwendet (also loslässt) bricht die Kugel aus der Kreisbahn aus und fliegt geradlinig in die Richtung weiter, die sie zuletzt hatte.
In diesem Beispiel ist die Zentripetalkraft die Kraft, die der Hammerwerfer aufbringen muss, um die Kugel während der Drehung festzuhalten. Er zieht die Kugel konstant zu sich hin, damit sie nicht davonfliegt. Bei einer Achterbahn liefert diese Kraft die Schiene, die den Zug auf die Kreisbahn zwingt. In diesem Fall drückt sie den Zug von außen in die Kreisbahn.
Die Zentrifugalkraft entsteht durch die Trägheit. Auch dein Körper unterliegt der Trägkeit, und möchte sich immer geradlinig bewegen. An der Einfahrt des Loopings beispielsweise will dein Körper eigentlich lieber geradeaus fahren. Wenn nun aber der Zug durch die Schiene nach oben gedrückt wird, "weigert" sich dein Körper aufgrund der Trägheit erstmal dagegen, und möchte auf der Ebene bleiben. Wenn dein Körper sich gerade bewegt, der Zug aber aufwärts fährt, heißt das im Umkehrschluss, dass der Zug von unten gegen dich drückt, bzw. dass du in den Zug gedrückt wirst. Diesen Effekt nennt man Zentrifugalkraft, und diese wird bei Achterbahnen meist als g-Kraft angegeben.
Zwar können sich Zentrifugal- und Zentripetalkraft mit der Schwerkraft addieren oder ihr entgegenwirken, aber sind prinzipiell unabhängig davon und haben in diesem Kontext nichts mit der Schwerkraft zu tun.
Lediglich, wenn man z.B. von Satelliten oder Planeten redet, gibt es einen Zusammenhang, hier fungiert die Schwerkraft nämlich als Zentripetalkraft, die Planeten oder Satelliten auf ihren Umlaufbahnen hält. Wie der Hammerwerfer die Kugel mit den Armen zu sich zieht, zieht ein Stern die Planeten um sich herum konstant an, und zwingt sie damit auf die (annähernde) Kreisbahn.
Dankeschön:)