P40: Lösungen

 6.2: Beispielrechnung zu senkrechtem Wurf

Beginnen wir mit dem Brainstorming...

Beim senkrechten Wurf (nach oben) überlagern sich zwei Bewegungen:

Der Körper fliegt, da wir Reibung vernachlässigen, mit seiner Anfangsgeschwindigkeit immer weiter..., es gilt s = v*t, gleichzeitig aber fällt er zu Boden, es gilt das Gesetz s` = 1/2g*t²

Wegen des Unabhängigkeitsprinzips dürfen wir beide Bewegungen getrennt ausrechnen und voneinander abziehen, die Differenz s - s`gibt die momentante Höhe h(t) an.

Wir werden sehen, dass diese Idee so allgemein ist, dass wir damit nicht nur das Hochwerfen, sondern auch das anschließende  Herunterfallen erfassen können.

Am besten beginnen wir mit der Geschwindigkeit:

Der Körper  startet mit der Anfangsgeschwindigkeit vo, die er beibehält und damit immer nach oben fliegt. Zusätzlich fällt er immer schneller mit der Geschwindigkeit g*t, so dass seine momentane Geschwindigkeit die Differenz  v(t) = vo - g*t ist.

Das berechnen wir jetzt (g = 10 m/sec²):

t/sec    gleichf. Bew. in m/sec      Fallgeschwindigkeit     Wahre Geschwindigkeit (Differenz) in m/sec

0           100                                               0                                    100 

1           100                                             10                                      90         

2           100                                             20                                      80 

...

9           100                                             90                                      10

10         100                                           100                                       0

11         100                                           110                                    - 10

12         100                                           120                                    - 20

...

19         100                                           190                                   -  90

20         100                                           200                                   - 100

21         100                                           210                                   - 110

 

Wie wir das vom Werfen nach oben kennen, wird der Körper immer langsamer. Die Erdanziehung bremst ihn stetig ab. Nach 10 Sekunden hat er v=0 m/sec. Er bleibt nicht stehen, da das ja eine Momentangeschwindigkeit ist, er kehrt nur die Richtung seiner Bewegung um.

Er hat aber nun die höchste Höhe erreicht, da er ja nicht weiter nach oben fliegen kann. Wir nennen das die Steigzeit und die dazugehörige höchste Höhe die Steighöhe.

Nach 10 Sekunden wird v(t) negativ, d.h. die Richtung der Geschwindigkeit kehrt sich um, wir haben einen freien Fall aus dieser Höhe.

Bei t =20 sec kommt er sozusagen mit der umgekehrten Startgeschwindigkeit wieder am Startplatz an. Die weiteren Werte für t =21 sec würden nur einen Sinn machen, wenn man ein Loch in den Boden buddelt...

20 sec sind die Flugdauer oder Wurfzeit. Sie ist logischerweise doppelt so lang wie die Steigzeit.

Aufgabe: 

Der Körper startet  mit 17,34 m/sec nach oben. Wie groß ist seine Steigzeit (g=9,81 m/sec²)?

Um diese Aufgabe zu lösen, musst Du eine Formel finden.

Ergebnis: 1,768 sec

Den Verlauf der Geschwindigkeit  können wir auch schön in einem GZD darstellen. So sollte auch das aussehen, was Du ev./hoffentlich selbst gezeichnet hast.

Nun kümmern wir uns um die momentane Höhe des Körpers.

Oben haben wir die Idee erläutert.

Wir geben uns die Zeit t vor, rechnen aus, wie weit er mit der Startgeschwindigkeit ohne Schwerkraft gekommen wäre (vo*t) und ziehen davon die Fallstrecke 1/2g*t² ab.

Das trage ich dieses Mal in eine Excel-Tabelle ein:

 

Damit zeichne ich das WZD.

Mit den eingetragenen Hinweisen dürfte die Zuordnung zum Bewegungsablauf klar werden.

Wir können die Wurfhöhe gut ablesen...es sind 500 m.

Hast Du eine Idee, wie man die Wurfhöhe auch ausrechnen kann? Nimm das Beispiel mit den blöden Zahlen oben...Du müsstest auf 15,33 m kommen.

Wie das allgemein geht, klären wir im nächsten Post. Dann besprechen wir auch die Zusatzaufgabe aus dem Bergpark Wilhelmshöhe des letzten Posts.

Vorsicht: Das Bild oben ist keine Flugbahn, da auf der waagerechten Achse eine Zeit aufgetragen wird. Das ist wirklich nur ein WZD.

 

P39: Aufwärts geht es....

 Der klassische Mechanikunterricht behandelt nun eine Wurfart nach der anderen. Das erscheint erst einmal wenig zweckvoll, außer, dass man da leicht viele Aufgaben stellen kann.

Trotzdem: Ganz bedeutend für unsere Technik, für die Forschung und für viele Vorgänge in der Natur ist das "Herumwerfen" von Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern.

Betrachten wir die folgenden Kapitel als wichtige Vorübung dazu. Wer Bälle durch die Gegend werfen kann, versteht auch die Plasmabewegungen in Kernfusionsanlagen....jedenfalls fast....sonst würden diese Kraftwerke schon funktionieren....

6. Der senkrechte Wurf 

6.1 Die Problemstellung

Bitte durchdenkt die folgende Aufgabe:

Ein Körper wird mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 100 m/sec senkrecht nach oben abgeschossen.

Luftreibung, Seitenwind und alles, was stört, wird vernachlässigt. Es ist eine "Schulaufgabe". 

a) Wie groß ist seine Fluggeschwindigkeit nach 1 sec, 2 sec, 3 sec?

b) Zeichne ein GZD, also trage v(t) gegen t auf.

c) Nach wieviel Sekunden erreicht er die Geschwindigkeit 0 m/sec? Diese Zeit nennt man die Steigzeit.

d) Nach wieviel Sekunden kommt er wieder auf der Starthöhe an? Diese Zeit nennt man die Flugzeit.

e) Wie hoch ist der Körper nach 1 sec, 2 sec, 3 sec...?

    Nimm die Abwurfhöhe, besser Abschusshöhe, zu 0 m an.

f) Zeichne ein WZD, d.h. trage die Höhe h(t) gegen t auf.

g) Wie hoch steigt er maximal? Diese Zahl nennt man die Wurfhöhe.

Vielleicht erinnert ihr euch noch? 

In der Vor-Corona-Zeit gab es im Sommer die Wasserspiele in Wilhelmshöhe. Da werden Wassertropfen hochgeschleudert und führen jeweils einen senkrechten Wurf aus.

Die Fontäne kommt 52 m hoch. Könnt ihr ausrechnen, mit welcher Geschwindigkeit das Wasser an der Düse austritt?

Das ist eine weitergehende Aufgabe, die über die oben gestellten Teilaufgaben hinausgeht, und uns Hoffnung machen soll, bald wieder gemeinsam die Wasserspiele ansehen zu können.

Bild: Stadt Kassel

 

Tipps:

Ich habe ja schon einmal Tipps gegeben, wie man das eigene Gehirn auf die Lösung vorbereitet:

- Kurze Notizen (Begriffe, Formeln) zu allen bisher bekannten Inhalten, die mit der (Teil)-Aufgabe in Verbindung stehen.

- Zur Hilfe: Überlege, welche Bewegungen hier vorliegen.

- Vergleiche mit vorher erarbeiteten Unterrichtsinhalten (das ist das Schöne an d r Schule...Aufgaben nutzen immer das bisher Gelernte aus)...wie zum Beispiel den waagerechten Wurf.

- Auch Fragen und Unklarheiten stichwortartig notieren.

- Dann entweder gleich anfangen, wenn schon eine Idee da ist. Ansonsten dem Gehirn eine Pause und somit eine Zeit zum Überdenken geben.

Natürlich kann man auch einfach in Physikbüchern nachschlagen...aber dabei trainiert man sein Gehirn nicht...

Wir besprechen die Lösungen im nächsten Post.

P 38: Waagerechter Wurf vektoriell

 5.4 Berechnung der Auftreffgeschwindigkeit

Ich erkläre die Herleitung der Formel in einem kurzen Video. Ihr solltet den Inhalt in euer Heft übertragen und vor allem auch die angesprochenen Umformungen selbst durchführen.

Leider habe ich im letzten Satz das Wort "Wurzel aus" vergessen, ich hoffe ihr merkt es.

Worum geht es?

Ein waagerecht abgeworfener Körper trifft schräg auf dem Boden auf, denn er hat zwei Geschwindigkeitskomponenten:

In x- Richtung immer noch die Abwurfgeschwindigkeit (wir vernachlässigen ja die Luftreibung) und in y-Richtung die Fallgeschwindigkeit am Ende der Fallzeit.

Beide Geschwindigkeiten müssen wir vektoriell addieren.

Wie das geht, erkläre ich im Video!

Zuerst ein Bild der Herleitung:

Und nun das Video:

Man kann natürlich auch den Auftreffwinkel berechnen:

Nun haben wir genug waagerecht geworfen, suchen wir uns andere Wurfrichtungen aus...