Hinweis: Ich deute Lösungsschritte nur an, damit man wirklich selbst alles nachvollziehen muss.
Bei Fragen oder Gesprächsbedarf: https://discord.gg/56ngQmhcCW
Aufgabe 1:
Es liegt eine gleichmäßig beschleunigte Bewgeung vor.
Da die Bewegung mit der Geschwindigkeit v(0) = 0 beginnt, können wir die Zeit direkt mit v = a*t berechnen. Zuvor müssen wir v von km/h auf m/sec umrechnen.
Wir erhalten t = 150,8 sec.
Nun arbeiten wir mit dem WZG s = 1/2 * a * t2 und erhalten s = 202,2 km.
Aufgabe 2:
Auto A: gleichmäßig beshcl. Bewegung ( a = const)
Auto B: gleichförmige Bewgeung ( a=0, v = const)
a) Mit v = a*t = 15 m/sec können wir die Zeit ausrechnen, nach der das Auto die Geschwindigkeit vom anderen Auto besitzt: t = 5 sec.
Die GZD ist hier:
b) Für Auto A gilt: s = 1/2 * a * t² = 50 m. Daraus bestimmen wir t = 5,8 sec.
Nach dieser Zeit kommt Auto A am Ziel an.
Für Auto B gilt: s = v*t = 50 m, da es mit der konstanten Geschwindigkeit v = 15 m/sec fährt.
Dieses Auto kommt nach 3,3 sec an, die Zeitdifferenz sind also rund 2,5 sec.
c) Wir rechnen die Fahrtstrecke aus, nach der beide Autos auf gleicher Höhe sind.
Nun benutzen wir beide Bewegungsformen in einer Formel. Das ist fast wie zweihändiges Klavierspielen mit Violin und Bassschlüssel....
Die Bedingungsgleichung ist: 1/2 * a * t² = v * t . Wir kennen a und v. Was ist t?
t ist die Zeit, zu der beide Autos gleichauf sind.
Wir erhalten eine quadratische Gleichung: 1/2*a*t² - v*t = 0.
Wir können mit der pq-Formel arbeiten, mit der quadratischen Ergänzung oder mit unserem Gehirn:
Wir klammern t aus:
t * (1/2*a*t - v ) =0
Nun kommt eine wichtige Regel zum Einsatz:
Ein Produkt ist 0, wenn einer der beiden Faktoren 0 ist.
Aus der einen quadratischen Gleichung werden damit zwei lineare Gleichungen (für jeden Faktor eine):
t = 0 oder 1/2*a*t - v =0
Daraus erhalten wir die beiden Lösungen für t:
t = 0 sec oder t = 2*v/a = 10 sec.
Das macht Sinn, denn ganz am Anfang (t=0) fährt B ja an A vorbei, beide Autos sind gleichauf.
Das entspricht der ersten Lösung!
Und nach 10 sec hat Auto A aufgeholt und fängt an B zu überholen.
Das ist die zweite Lösung.
(Nicht immer entsprechen beide mathematischen Lösungen sinnvoller Physik, hier schon).
Da wir nun den Zeitpunkt kennen, haben wir zwei Möglichkeiten, die notwendige Strecke auszurechnen:
Wer gerne Zahlen in Taschenrechner eintippt, nimmt Auto A und die Formel s = 1/2 * a*t²,
alle anderen nehmen Auto B und rechnen s = v * t = 150 m leicht im Kopf aus...
Die WZD sind hier:
Wie kann man an den WZD erkennen, ab wann das eine Auto schneller ist als das andere?
Und wie erkennt man, wann sie gleichauf sind?
Aufgabe 3:
Am besten rechnet man wieder die Geschwindigkeiten in m/sec um, da in der Aufgabe die Zeit in Sekunden angegeben ist.
a) a = (13,9 m/sec - 2,8 m/sec)/3 sec = 3,7 m/sec²
b) Wer 16,65 m heraus hat, hat einen Denkfehler gemacht. Welchen?
Die notwendige Formel lautet: s = 2,8 m/sec * 3 sec + 1/2*a*t² = 25,05 m
Wie kommt man auf die Formel? Was hat das mit dem Unabhängigkeitsprinzip zu tun?
Nun kommen wir zur Anwendung des Gelernten bei der Fallbewegung. Dabei wollen wir aber nicht nur Kinematik betreiben, also ausrechnen wo, wann und wie schnell der Körper unten ankommt...sondern auch einige Grundprinzipien der Mechanik erfassen, die uns zu den Gedanken von Einstein führen, aus denen er vor über 110 Jahren die Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hat.
Bald werden wir verstehen: Ein fallender Körper fällt nicht, er folgt der vorliegenden Krümmung des Raumes. Er kann einfach nicht anders....
