P80 Viele Beispiele und Videos

 Und nun die Lösungen...

Meine Formulierungen sind nur Vorschläge, auch andere können richtig sein.

Versuch 1: Klopapier

Wenn man langsam zieht, bewegt sich die Rolle mit und rollt ab. Beim schnellen Ziehen bleibt die Rolle aufgrund ihrer Trägheit stehen und das Blatt reißt ab und kann weiter verwendet werden.

Versuch 2: Stapel

a) Übertragung des Impulses beim langsamen Ziehen nimmt Turm mit. Beim schnellen Ziehen bleibt Turm wegen der Trägheit stehen.

b) Drückt man langsam gegen den unteren Teil, so drückt man den ganzen Turm weg, er wird instabil.

Wenn man mutig genug ist und schnell gegen den unteren Stein schlägt, bleibt der Schwung im unteren Teil und der Turm rutscht nach unten nach.

Versuch 3: Papier kontra Hammer

Beim Schlagen entsteht sogar Drehimpuls, da das Brett auf der Tischkante liegt. Es wirbelt durch die Luft.

Liegt eine Zeitung über Tisch und Brett, kann der Schwung an die Luft oben drüber weitergeleitet werden. Durch die große Zeitung ist der Widerstand für die Schwungleitung klein. Die Luft  oben drüber hat eine riesige Masse, etwa 3 Tonnen!!!! Das ist eine riesige Schwungkapazität. Das Brett rührt sich nicht, bei seiner kleinen Kapazität für Schwung (0,1 kg) kriegt es kaum welchen ab...

Bite den Versuch nicht in der Nähe von Glas, Porzellantassen oder Fenstern machen!

Überlegung 1 Ruckelndes Auto:

Die Person ist träge. Beim beschleunigten Anfahren bleibt sie zurück, der Sitz samt Auto erwischt sie am Rücken und nimmt sie mit.

Oder:

Der Schwung vom Auto wird nicht sofort in voiller Stärke auf die Person übertragen, da der Übergang zwischen Auto und Person eine Art Widerstand für Schwungtransport ist.

Versuch 4: Der autofahrende Heliumballon

Der Heliumballon verhält sich genau anders...

Das kann man so erklären:

Die Luft ist träger als der Ballon, sie bleibt beim Anfahren zurück, er geht nach vorn. Beim Bremsen ist es umgekehrt.

Ich habe eine ganz andere Erklärung.

Schaut noch mal in die Kapitel 11.5 und 11.6 Da haben wir gelernt, dass man die Wirkung einer Schwerkraft nach unten nicht von einer Beschleunigung der Umgebung nach oben unterscheiden kann (Äquivalenzprinzip).

Die nach vorne gehende Beschleunigung des Autos beim Anfahren kann man auch als nach hinten wirkende Schwerkraft auffassen. Der Heliumballon ist also einer größeren Schwerkraft nach hinten (!) ausgesetzt. Sein Auftrieb wird also größer, aber das ist ein Auftrieb nach vorne....

Überlegung 2: Nix geht

Die Rollen unter dem Brett dienen als Isolatoren für Schwung. Der Motor des Autos pumpt Schwung in die Räder, die geben ihn komplett an das Brett ab. Das Brett rollt und das Auto bleibt letztlich stehen.

Schwung wird durch Reibung weitergegeben. So wie die Räder unter dem Brett den Schwung nicht an den Boden weitergeben können, so gibt es bei Glatteis keine Reibung zwischen Boden und Fahrbahn.

Überlegung 3: Kein Glatteis mehr

Ein Auto fährt aber nur nach vorne, wenn es von der Fahrbahn Schwung in diese Richtung bekommt. Nach unserer dritten Regel muss dann das Auto der Fahrbahn (und damit der ganzen Erde) einen Schwung nach hinten geben. Die Autoräder müssen also eine ausreichende Reibung haben, sie dürfen keine Schwungisolatoren sein!

Zum Glück ist die Schwungkapazität der Erde unermesslich groß und wir können (leider) noch (fast) beliebig viele Autos bauen und anfahren lassen, ohne dass die Erde ihre Drehung ändert.

Und wo bleibt der vom Motor erzeugte Schwung bei Glatteis? In den durchdrehenden Rädern...

Überlegung 4: Man trifft sich

Die Räder sollen hier Schwungisolatoren sein. Der von der Person auf den Wagen ausgeübte Schwung führt dazu, dass der Wagen nach rechts rollt. Er bekommt Rechts-Schwung. Die Person muss deshalb Rechts-Schwung abgeben, d.h. es bleibt in ihr Links-Schwung übrig. Sie bewegt sich nach links auf den Wagen zu.

Haben beide die gleiche Schwungkapazität (Masse) so treffen sie sich in der Mitte. Ansonsten liegt der Treffpunkt dichter am Körper mit der größeren trägen Masse.

Die Unterscheidung zwischen Rechtsschwung und Linksschwung ist manchmal ganz nützlich. Wir wollen das hier aber nicht vertiefen.

Überlegung 5: Komm her

Jetzt pumpt der Mensch (Rechts-)Schwung über die gut leitende Verbindung zur Erde aus der Erde heraus. Der Wagen rollt nach rechts. Die Erde verliert diesen Schwung und bewegt sich nach links.

Überlegung 6: Nichts als Luft

Luft ist ein schlechter Leiter für Schwung...Da kann der Mensch noch soviel wedeln...

Überlegung 7: Von Magnet zu Magnet

Magnetfelder ( aber auch alle anderen Felder) können Schwung gut übertragen.

Überlegung 8: Das Bootsrennen

Die Bootsschraube überträgt Schwung nach hinten (links) auf das Wasser. Das Boot verliert diesen Schwung. Das entspricht ein Schwunggewinn nach vorne (rechts).

So funktioniert auch der Flugzeugantrieb. Da werden natürlich keine Passagiere nach hinten rausgeschmissen sondern Luft nach hinten in Schwung versetzt.

Überlegung 9: Raketenantriebe funktionieren auch im Vakuum

Im Weltall gibt es nichts wie Luft oder Wasser, was der Raketenmotor nehmen kann. Er muss sein eigenes Zeugs mitnehmen...das nennt man Treibstoff...und den Rest müsstet ihr jetzt gut verstehen....

Man kann auch kleine Raumsonden mit Laserstrahlen antreiben. In der Tat hat Licht einen Schwung, den es in Ausbreitungsrichtung mitnimmt und übertragen kann.

P 79: Noch mehr Impulse für die Beschäftigung mit Schwung

 Im nächsten Post gehe ich auf die drei Versuche ein.

Einen weiteren könnt ihr leider nicht alleine machen, aber wenn ihr einen Fahrer habt?

Ihr braucht aber einen Luftballon, der mit Helium gefüllt ist (Helium ist leichter als Luft)

Bevor ihr es euch anseht:

Überlegung 1: Ruckelndes Auto

Warum wird man beim Beschleunigen in die Sitze gedrückt?

Warum ist ein Airbag beim plötzlichen Bremsen ganz nützlich?

Warum sollten bei einer Fahrt in eine enge kurve die Außentüren gut geschlossen sein?

Und nun seht euch das Video...der Beifahrer hier hat keine Ahnung von Physik, oder?!

Versuch 4: Der autofahrende Heliumballon

Und nun möchte ich euch einige niedliche Bildchen zeigen (alle aus KPK, Aulis Verlag).

Auf ihnen sind Vorgänge zu sehen...

Eure Überlegungen sollten folgendes beinhalten:

(1) Was passiert da eigentlich?

(2) Erklärt das mit Hilfe von Impuls/Schwung aber nutzt dabei ruhig die Begriffe:

   - Isolator für Schwungübertragung

   - Leiter für Schwungübertragung

   - Schwungstrom

   - Schwungpumpe

Das alles ist nicht sehr wichtig für den weiteren Kurs. Es hilft euch aber kräftig, etwas besser mit dem doch recht abstrakten Begriff Impuls umzugehen.

Überlegung 2: Nix geht

Überlegung 3: Kein Glatteis mehr!

Überlegung 4: Man trifft sich!

Den Versuch könnt ihr gut zu zweit nachmachen...ihr braucht nur Skateboards und ein Seil.

Aber bei 1,5 m Abstand abbremsen und Maske auflassen!

Überlegung 5: Komm her!

Überlegung 6: Nichts als Luft!

Überlegung 7: Von Magnet zu Magnet

 

Überlegung 8: Das Bootsrennen

Hierzu fällt mir eine Durchsage eines Piloten ein:

"Liebe Passagiere...unser Treibstoff ist alle...Bitte springen sie einzeln und nacheinander hinten aus dem Flugzeug hinaus..."

Immerhin hat er etwas Ahnung von Physik. Wieso?

Überlegung 9: Raketenantriebe funktionieren auch im Vakuum

Im nächsten Post erkläre ich dann alles und zeige noch ein paar Videos.

P 78: Das Drama mit der Schrankwand

 

14.4 Beispiele für Schwungübertragung

Zuerst einmal:

Habt ihr auch einen Lachanfall bekommen als ihr die beiden Jungs im Video gesehen habt? Und euch dann gefragt, wie es dem armen Michel ergangen ist?

Das Video ist eine Abschlussarbeit an einer Hochschule für Medien aus dem Jahr 2011.

Ein Fake!

Hier könnt ihr die ganze Geschichte mal lesen:

Warum Michel überlebt hat

Trotzdem: Der Filmemacher Dominik hatte schon Ahnung von Physik...

Analysieren wir das mal mit Hilfe von Schwungübertragung:

- Da die Tischdecke sehr schnell weggezogen wird, ist kaum Zeit, den Schwung zu übertragen. Das Geschirr bleibt auf Grund seiner Trägheit stehen.

- Hinzu kommt: Die Reibung zwischen Tischdecke und Geschirr ist recht klein. Das wirkt wie ein Schwungisolator: Der Übergang hat einen hohen Widerstand für Schwungübertragungen, wir sagen auch für Schwungströme..

- Nach dem Trick (das funktioniert wirklich genau so!) stößt Sven den Michel an und überträgt Schwung auf ihn. 

- Da Michel ebenfalls relativ gut gegen Schwungübertragung isoliert ist (er klebt nicht am Boden fest), bleibt der Schwung in ihm und bewegt ihn nach hinten.

- Nun stößt Michel an die Schrankwand. Dabei übergibt er seinen Schwung an die Schrankwand. Diese leitet den Schwung an die Hauswand weiter...aber der Schrank würde  kaum kippen.

In der Tat ist das auch bei den Dreharbeiten nicht gelungen.

Die Schrankwand stand vor einem Fenster und hat durch das Fenster von Außen den richtigen Schwung, auch Drehschwung, zum Kippen bekommen.

Das Kippen wurde reingeschnitten, da stand der Michel schon sicher hinter der Kamera.

Das Set war in einem alten Abbruchhaus, die Schrankwand wurde extra dafür organsiert und das Oma-Zimmer auch so eingerichtet.

So ganz nebenbei merkt man, wie leicht man Fake-News produzieren kann. Obwohl die Auflösung in den Kommentaren damals veröffentlicht wurde, sind Millionen Menschen der Meinung, das sei genau so passiert und Michel hätte das nicht überlebt...

Das Video wurde sogar zeitweise gesperrt...

Ich mach so was auch gerne...

Der angekündigte Abriss der chinesischen Mauer wäre mir fast zum Verhängnis geworden:

April, April

Kommen wir wieder zu echter Physik....

Morgen gibt es den nächsten Post dazu...

Ihr könnt aber schon einmal zu Hause eigene Experimente machen:

Versuch 1: Klopapier

Einmal das Blatt schnell und einmal langsam abreißen...

Versuch 2: Stapel

Stapelt Dominosteine oder kleine Würfel aufeinander.

a) Legt den Turm auf ein Blatt Papier und zieht dies schnell bzw. langsam drunter weg.

b) Nehmt ein Lineal und schlagt den untersten Stein schnell raus bzw. drückt ihn langsam raus.

Versuch 3: Papier kontra Hammer

Legt ein sehr dünnes schmales Brett so auf einen Tisch, dass ein großer Teil übersteht.

a) Schlagt mit dem Hammer auf den überstehenden Teil und tretet schnell zur Seite. Am besten im Freien machen.

b) Legt eine große Tageszeitung auf den Tisch, so dass der auf dem Tisch liegende Teil des Brettes gut abgedeckt ist.

Schlagt wieder mit dem Hammer schnell auf den überstehenden Teil.

Erklärt alle Beobachtungen durch den Begriff Trägheit (Was ist da träge?) aber auch durch die Übertragung von Schwung.

P77: Von Newtons Oma ihr Porzellan...

 

Gehen wir erst einmal auf die am Ende des letzten Posts gestellten Fragen ein:

- Was passiert mit einem Körper, der sich bewegt, aber seinen Schwung nicht ändert?

Antwort: Nichts...er bewegt sich so weiter wie bisher...das nennen wir auch Trägheit!

- Was passiert mit einem Körper, der Schwung bekommt oder abgibt?

Antwort: Er muss schneller oder langsamer werden.

   Ganz konkret: In jeder Sekunde erhält ein Körper der Masse 5 kg genau  30 Hy. Um wieviel wird er jede Sekunde schneller?

Antwort: v = p/m = 30 Hy/ 5 kg = 6 m/sec

- Ein Körper A gibt einem anderen Körper B Schwung ab, z.B. durch einen Stoß. Was kannst Du über die Schwungmengen sagen, die A abgibt und die B aufnimmt?

Antwort: Wenn nichts verloren gehen kann, dann kommt das, was A abgibt bei B an.

   Es ist natürlich kein dritter Körper im Spiel.

Kannst Du die drei Antworten auf die Fragen zu einer Regel zusammenfassen?

Alle drei Fälle lassen sich aus dem Impulserhaltungssatz ableiten:

In abgeschlossenen Systemen bleibt die Menge des Impulses erhalten. Nur durch äußere Einflüsse kann Impuls verändert werden.

Im Einzelnen:

Wenn der Impuls in einem abgeschlossenen System erhalten bleibt, dann

- ändert sich der Schwung nicht, wenn man nichts macht

- muss man Schwung zuführen bzw. abführen, wenn man den Schwung ändern will.

- muss der Schwung, den man zuführt, irgendwo herkommen.

Nehmen wir mal an, ein Teich sei ein komplett abgeschlossenes System, ohne Verdunstung. Dann gilt für die Wassermenge im Teich:

- fließt nichts zu oder fließt nichts ab, bleibt die Wassermenge.

- wenn mehr Wasser im Teich sein soll, muss man Wasser reinkippen

- das Wasser was aus einem Eimer in den Teich reingekippt wird, ist genauso viel, wie das was im Teich ankommt (im Normalfall).

Formulieren wir nun unsere drei Axiome.

Was ist ein  Axiom?

Unter einem Axiom verstehen wir in der Physik Aussagen, die wir ohne Beweis oder Herleitung sofort als wahr anerkennen. Aus ihnen können dann andere Aussagen gefolgert werden.

Trägheitsaxiom:

Ein Körper, der seinen Schwung behält und nicht ändert, ändert seine Bewegungsform nicht.

Alle Körper sind träge!

Beschleunigungsaxiom:

Ein Körper, dessen Schwung sich ändert, wird beschleunigt.

Nicht vergessen: Beschleunigung beinhaltet auch Abbremsen und Richtungsänderungen.

Wechselwirkungsaxiom:

Zwei untereinander in Wechselwirkung stehende Körper tauschen Schwung aus. Dann gibt der eine Körper soviel Schwung ab, wie der andere bekommt.

Wir werden im nächsten Kapitel den Begriff Kraft näher kennenlernen und ihn wie Newton über den Impuls definieren.

Dann können wir die drei Fälle als Newtonsche Axiome so formulieren, wie sie in jedem Physikbuch stehen (und oft kaum verstanden werden).

Aber vorher wollen wir noch ein wenig mehr mit dem Impuls = Schwung arbeiten.

Aufgabe:

Holt Omas teures Porzellangeschirr aus dem Schrank, stellt es auf eine Tischdecke und zieht dann die Tischdecke ruckartig vom Tisch.

Was passiert? Und was hat das mit Schwung zu tun?

Eigentlich müsste doch der Schwung auch über die Tischdecke auf das Porzellan überfließen, so dass es mitgerissen wird und kaputt geht.

Wenn eure Oma hinterher noch mit euch redet, dann habt ihr den Versuch richtig durchgeführt.

Das Porzellan ist nicht in Schwung versetzt worden.

Wieso?

Damit ihr das auch richtig macht, schaut euch mal an, wie das Michel und Sven machen...

P 76: Mit Schwung zu neuen Erkenntnissen

 14. Grundgröße Schwung

14.1 Was ist Schwung?

In P 67 haben wir schon recht ausführlich besprochen, was wir unter Schwung bzw. Impuls verstehen wollen:

Impuls ( = Schwung)  ist 

- etwas, das mengenartig vorkommt, also mehr oder weniger vorhanden sein kann.

- etwas Ursprüngliches, das keinen Träger braucht, sondern von Körper zu Körper direkt ohne Umwandlungen übertragen werden kann.

- etwas, das je  je nach Masse eine unterschiedliche Geschwindigkeit bewirkt. Die (träge) Masse ist sozusagen die Proportionalitätskonstante zwischen Geschwindigkeit und Impuls p:

 p = m*v ist eine naheliegende Festlegung für den Impuls.

- etwas , das  irgendwo herkommen muss. Impuels  kann weder aus dem Nichts entstehen noch einfach verschwinden. Es gibt eine wichtige Erfahrung:

In einem System, das abgeschlossen ist, also keine Verbindung zur Außenwelt hat, bleibt die Menge des vorhandenen Impulses immer konstant.

Schwung ist also etwas, was wie Energie fließen kann, übertragen werden und strömen kann. Es gibt dabei eine Strömungsrichtung, die Wirkung des Schwunges muss aber nicht mit der Übertragungsrichtung übereinstimmen. Das werden wir nicht zu sehr vertiefen, sondern nur an einigen ganz konkreten Beispielen besprechen.

Für unsere Zwecke haben wir auch eine Einheit für Schwung(= Impuls)  festgelegt:

Eine Masse von 1 kg, die sich mit 1 m/sec bewegt, hat einen Schwung von 1 Hy (Huygens).

Also: Wenn ein Fußgänger der Masse 75 kg, der sich mit 1 m/sec bewegt, jemanden anrempelt, dann kann ein Schwung von 75 Hy übertragen werden.

14.2 Neuinterpretation der (trägen) Masse 

Lösen wir unsere Definitionsgleichung für Schwung mal nach m auf:

m = p/v

Aufgabe: Welche Masse wird benötigt, um mit einem Schwung von 400 Hy eine Geschwindigkeit von 5 m/sec zu erhalten?

Antwort: m = 400 Hy/5 m/sec = 80 kg.

Was passiert, wenn bei gleichem vorhandenem Schwung dieser auf eine kleinere bzw. größere Masse übertragen wird?

Was bedeutet also 1 kg?

Eine Masse von 1 kg ist in der Lage einen Schwung von 1 Hy in eine Geschwindigkeit von 1 m/sec umzusetzen.

Je größer eine Masse ist, desto mehr Schwung muss sie aufnehmen, um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen.

Einen solchen, vergleichbaren,  Satz werdet ihr in der Elektrizitätslehre in Q1 auch lernen:

Je größer die Kapazität C eines Kondensators (das ist ein Ladungsspeicher)  ist, desto mehr Ladungsmengen Q muss er aufnehmen, um eine bestimmte Spannung U zu erreichen. 

Es gilt Q = C*U.

Statt Schwungmenge haben wir da die Ladungsmenge, statt Geschwindigkeit die erzeugte Spannung.

Immer wenn man sagen kann:

Aufgenommene Menge = Konstante * Wirkung

                               p      =  m             *   v

                               Q =      C              *  U

nennt man die Konstante eine Kapazität.

Denkt an unsere Badewanne:

Wir haben zwei Badewannen, in die beide 30 Liter pro Minute fließen. Bei Wanne A steigt jede Minute der Wasserspiegel um 3 cm, bei Wanne B um 2 mm.

Die Formel wäre: Wassermenge = Konstante * Höhe des Wasserspiegels

Wir sagen: Wanne B hat eine höhere Kapazität für Wasser als Wanne A.

Je größer die Kapazität der Wanne ist, desto langsamer steigt der Wasserspiegel an.

Entsprechend ist die  träge Masse  also eine Angabe zur  Kapazität, mit der sie  Schwung aufnehmen kann: Träge Masse ist eine Schwungkapazität.

Je höher die träge Masse, desto mehr Schwung kann sie speichern und desto mehr Schwung braucht man, um sie auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bringen.

Eigentlich ist nur dieser letzte Satz wichtig. Er sollte an sich aber eher eine Trivialität ausdrücken...

Leider wird in unserer Umgangssprache das Wort Kapazität auch für Fassungsvermögen verwendet. Das ist in der Physik falsch: Eine Kapazität ist in der Physik eine Pro-Angabe, ein Fassungsvermögen gibt an, wieviel von etwas wo reinpasst. Ohne Pro und Kontra....

Eine Badewanne hat an sich nur ein Fassungsvermögen. Erst wenn wir Wasser reinlaufen lassen und wir wissen wollen ,wie die Zuflussmenge in Wasserstand umgesetzt ist, benötigen wir die Kapazität der Wanne.

14.3  Schwungregel im Sinne von Newton

Bitte überlegt euch bis zum nächsten Post einmal die Antworten:

- Was passiert mit einem Körper, der sich bewegt, aber seinen Schwung nicht ändert?

- Was passiert mit einem Körper, der Schwung bekommt oder abgibt?

   Ganz konkret: In jeder Sekunde erhält ein Körper der Masse 5 kg genau  30 Hy. Um wieviel wird er jede Sekunde schneller?

- Ein Körper A gibt einem anderen Körper B Schwung ab, z.B. durch einen Stoß. Was kannst Du über die Schwungmengen sagen, die A abgibt und die B aufnimmt?

   Es ist natürlich kein dritter Körper im Spiel.

Kannst Du die drei Antworten auf die Fragen zu einer Regel zusammenfassen?

Auch hier kann ein Vollbad bei der Lösung helfen...