Physik heute 2 pdf
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Rückenstärke: 6 mm, Seitenzahl: 136 2 Fürnstahl . Wolfbauer heute Physik Physik . heute se s la K 2. 2 NEU BEARBEITUNG 06945_Umschlag.indd 3 16.02.15 07:48 So arbeitest du mit Physik heute! MAGNETISMUS MAGNETISMUS Der Zauberberg Übungen 1 Eine interessante Geschichte zum Einstieg in das Thema! N1 W In diesem Kapitel befindest du dich jetzt! Es gibt verschiedene Magnete. Benenne sie! Adschib, der Sohn des Königs Kassib, hatte eine Vorliebe für Reisen zur See. Eines Tages wollte er alle Inseln besuchen, die zu seines Vaters Reich gehörten. Er nahm sich ein Schiff und stach in See. Die Reise dauerte nun schon zwanzig Tage, als ein Matrose von der Spitze des Mastes ausrief: „O Gebieter! Ich sehe ein Ding in der Ferne, das ist bald dunkel, bald hell.“ Als der Kapitän diese Worte des Matrosen vernahm, riss er seinen Turban vom Hier erfährst du mehr! Haupte, warf ihn auf das Deck und raufte seinen Bart. Der Königssohn fragte den Kapitän, was der Matrose gesehen hätte. Dieser erwiderte: „Mein Fürst, morgen werden wir zu einem Berge von schwarzem Gestein kommen, denn in diese Richtung reißt die Strömung und wir sind dagegen machtlos. Sobald wir in seine Nähe kommen, werden die Planken des Schiffes sich öffnen und jeder Nagel wird herausgerissen und an dem Berg haften; denn Allah hat je- nes Gestein mit einer geheimnisvollen Kraft begabt und mit einer besonderen Vorliebe für Eisen versehen.“ Nach diesen Worten begann der Kapitän zu jammern und ein jeder nahm Abschied von seinem Freund. Am nächsten Tag fielen die Nägel aus den Planken und alle stürzten ins Meer, denn das Schiff zerfiel. (Aus: „Märchen Nacht“) aus 2 N1 E Prüfe, was von einem Magneten angezogen wird! Gegenstand wird angezogen wird nicht angezogen Tausendundeiner Bei den zum Text passenden Arbeitsaufgaben ist dein Können gefragt – wende dein Wissen an! Ein natürlicher und viele künstliche Magnete 3 Stärkere Magnete werden heutzutage aus Stahl und anderen Metalllegierungen hergestellt. Nach ihrem Aussehen nennt man sie Hufeisenmagnete, Stabmagnete und Ringmagnete. Ein besonderer Magnet ist der Elektromagnet. Er lässt sich „ein-“ und „ausschalten“ sowie auf die gewünschte Stärke einstellen. N1 E Bezeichne bei der Nummer 1 den grünen Teil mit S (= Südpol), den roten Teil mit N (= Nordpol)! 4 N1 E Obendrauf Viktor, Gnas Ein starker Hufeisenmagnet wird einem Nagelhäufchen genähert. Überlege: Wie befinden sich die Eisennägel an dem Hufeisenmagneten nach der Anziehung? Zeichne die Nägel an den Magneten! Ein Magneteisenstein ? Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Führe anschließend den Versuch durch und vergleiche! Im antiken Griechenland (vor Christi Geburt) kannte man einen Stein, der kleine Eisenteilchen anzog. Diese Kraft des Magneteisensteines nennt man Magnetismus. Die Magnetkraft des Magneteisensteines ist nicht sehr groß. Verschiedene Ausführungen von Magneten Ein Elektromagnet kann schwere Lasten heben. 18 19 mAGNEtismus MAGNETISMUS K N O B E L I X 5 N1 Lexikon Elektromagnet, der; eine aus Draht aufgewickelte Spule, die bei Strom­ durchfluss magnetisch wird. Die Spule verhält sich dabei wie ein Stabmagnet. Die Magnetkraft wird besonders stark, wenn man das Innere der Spule mit Eisen füllt. Praktische Anwendung findet der Elektromagnetismus an Kränen zur Verladung von Gütern aus Eisen, in elektrischen Messgeräten, bei automatischen Schaltern (Relais; sprich: Relä), beim Generator und Dynamo zur Stromerzeugung, im Telefon, im Transformator und beim Elektromotor. E Werden die Eisennägel unter den verschiedenen Platten bei Annäherung eines Magneten angezogen? Trage unterhalb den richtigen Buchstaben ein! A B C Glas Sie werden angezogen bei 6 N2 Holz Eisen ; sie werden nicht angezogen bei Elektromagnetismus, der; nennt man die durch den elektrischen Strom hervorgerufenen magneti­ schen Erscheinungen. Der dänische Physiker H. Chr. Oersted entdeckte 1820 die Wechselwirkung zwischen elektrischen Strömen und Magneten. Danach entsteht in der Umgebung eines Strom führenden Leiters ein Magnetfeld. . S Überlege: Fallen Gegenstände aus Eisen deswegen zu Boden, weil sie der Erdmagnetismus anzieht? Das alles hast du in diesem Kapitel gelernt! kompass, der; ein Richtungsweiser. Der Kompass zeigt durch seine Magnetnadel, ein frei bewegliches Stück magnetisches Eisen, mit einem Ende stets nach Norden. Der Magnetkompass war schon 1100 v. Chr. den Chinesen bekannt und kam im Mittelalter in Europa in Gebrauch. Damit wurde es möglich, Ozeane zu überqueren und dabei die Orientierung nicht zu verlieren. Heute wird in der Schifffahrt meist der elektrisch betriebene kreisel­ kompass verwendet, der unabhän­ gig vom magnetischen Nordpol stets in dieselbe, vorher eingestellte Richtung weist. Kurz zusammengefasst ‘ Ein natürlicher Magnet: der Magneteisenstein legierung, die; durch Zusammen­ schmelzen mehrerer Metalle entstandener Stoff. Das Legieren verfolgt das Ziel, Stoffe mit ganz bestimmten Eigenschaften herzu­ stellen. Ein Beispiel für eine Metall­ legierung mit guten magnetischen Eigenschaften ist „Alnico“ aus Aluminium, Nickel, Cobalt und Eisen. Künstliche Magnete: Stabmagne, Hufeisenmagnet, Ringmagnet, Elektromagnet ‘ Magnete ziehen Eisen (Nickel, Cobalt) an. Die Kraft zwischen Magneten und Eisen ist wechselwirkend. Die Stellen besonders starker Anziehung werden Pole (Nordpol, Südpol) genannt. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. Jedes Teilstück eines Magneten ist ein vollständiger Magnet. ‘ Beim Magnetisieren werden die Elementarmagnete geordnet. Die Erde ist ein großer Magnet mit zwei Polen. Ihr Magnetfeld reicht in den Weltraum. Magnetische und geografische Pole der Erde fallen nicht zusammen. Ein frei beweglicher Magnet stellt sich in die Nord-Süd-Richtung ein. Ein Kompass besteht aus Gehäuse, Windrose und Magnetnadel. magnet, der; ein Körper, der in seiner Umgebung ein Magnetfeld erzeugt. Jeder Magnet hat zwei Pole (Nord­ 25 und Südpol) und stellt sich bei freier Beweglichkeit in die Nord­Süd­ Richtung ein. Magnete haben meist Stab­, Hufeisen­ oder Ringform. magnetschwebebahn, die; ein in der BRD und in Japan entwickeltes Schwebefahrzeug. Die Magnet­ schwebebahn wird durch magneti­ sche Kraft 1 cm hoch über einer Schiene gehalten und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 400 km / h (400 km pro Stunde). Der Betrieb der Magnetschwebebahn ist umweltfreundlicher, geräusch­ ärmer und energiesparender als die Verwendung der luftkissenbahn, die mit Druckluft in Schwebe gehalten wird. magnetberg, der; nach alten morgenländischen Sagen ein Berg aus Magneteisenstein mitten im Meer. Vorüberfahrenden Schiffen würden alle Eisenteile aus dem Holz gezogen, so dass sie auseinander­ brechen und versinken. magnetische missweisung, die (Deklination); der Winkel, um den die Richtung einer Magnetnadel von der geografischen Nordrichtung abweicht, da die erdmagnetischen Pole nicht mit den geografischen Polen zusammenfallen. Magnetischer Südpol Geografischer Nordpol N W O S magnetische Pole, die; nicht mit den geografischen Polen überein­ stimmende Pole des Magnetfeldes der Erde. Als Ursache des Erdmag­ netismus vermutet man elektrische Ströme im Inneren der Erde. Die Lage der Magnetpole verschiebt sich im Laufe der Zeit. Der magnetische südpol liegt zur N W 26 Zeit im Norden Kanadas, der magnetische Nordpol im Gebiet der Antarktis. Auch die Stärke des Erdmagnetismus schwankt. Besonders starke Änderungen nennt man magnetische Stürme. Sie werden von der Sonne ausgelöst und sind oft mit dem Auftreten von Polarlicht verbunden. Die zwischen den Polen liegenden Teile eines Magneten besitzen nur geringe magnetische Wirkung. Ein Stabmagnet ist in der Mitte praktisch unmagnetisch. magnetismus, der; Sammelbegriff für alle Erscheinungen des magneti­ schen Feldes. Ein Magnetfeld entsteht in der Umgebung jeder bewegten elektrischen Ladung, z. B. eines stromdurchflossenen Drahts (Elektromagnet) oder bei Dauermagneten (z. B. Magneteisen­ stein). Interessante Begriffe werden hier genauer erklärt! magnetit, der; Magneteisenerz, Magneteisenstein; schwarzes, fettig metallglänzendes, magnetisches Mineral; Härte 5 ½; wertvoller Eisenrohstoff ; Fe3O4. magnetophon, das; ein Gerät zum Aufzeichnen von Tönen (Tonband­ gerät, Kassettenrekorder). Im Gegen­ satz zum Grammofon wird jedoch keine Schallplatte, sondern ein Band verwendet. Auf diesem Band ist eine magnetisierbare Schicht aufgetragen, die aus winzigen Teil­ chen von Eisen oder gleichartigem Metall besteht. Die Aufzeichnung von Tönen oder Geräuschen geht so vor sich: Ein Mikrofon wandelt die Schallschwingungen in Strom­ schwankungen um. In einem Elektromagneten erzeugen die Stromschwankungen wechselnde Magnetfelder. Das Band wird an dem Elektromagneten vorbei­ geführt, die Teilchen darauf werden magnetisiert. Bei der Schall­ wiedergabe erregen die Magnet­ felder des Bandes jetzt umgekehrt elektrische Ströme, die in Laut­ sprechern hörbar gemacht werden. O S 06945_Buch.indb 26 16.01.14 09:02 Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, Sie bekommen dieses Schulbuch von der Republik Österreich für Ihre Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Mit Bescheid des Bundesministeriums für Unterricht, Kunst und Kultur vom 11.9.2013, GZ 5.050/0045-B/8/2013 gemäß den Lehrplänen 2004 bzw. 2013 als für den Unterrichtsgebrauch an allgemein bildenden höheren Schulen und Neuen Mittelschulen für die 2. Klasse im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt. Der Verlag hat sich bemüht, alle Rechtsinhaber ausfindig zu machen. Sollten trotzdem Urheberrechte verletzt worden sein, wird der Verlag nach Anmeldung berechtigter Ansprüche diese entgelten. Schulbuchnummer: 110.413 © VERITAS-VERLAG, Linz 2014. Alle Rechte vorbehalten. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. 11. Auflage (2015) – Entspricht der Rechtschreibreform 2006. Gedruckt in Österreich auf umweltfreundlich hergestelltem Papier Lektorat: Martina Pammer Herstellung: Alois Kandler Bildredaktion: Nina Autengruber Umschlaggestaltung und Layout: Alois Kandler, Julia Dresch Illustrationen: Graham Wiseman Satz: dtp Veritas Umschlagfoto: iStockphoto/morkeman Schulbuchvergütung/Bildrechte: © Bildrecht/Wien Alle Ausschnitte mit Zustimmung der Bildrecht/Wien ieses Werk ist für den Schul- und Unterrichtsgebrauch bestimmt. D Es darf gemäß § 42 (6) des Urheberrechtsgesetzes auch für den eigenen Unterrichtsgebrauch nicht vervielfältigt werden. ISBN 978-3-7058-5978-4 06945_Umschlag.indd 4 16.02.15 07:48 Horst Fürnstahl . Michael Wolfbauer heute Physik 06945_Buch.indb 3 2 16.01.14 09:02 Servus! Nun haben wir ein Physikbuch verfasst, wie wir es uns als Schüler immer gewünscht haben. Mit schönen Fotos und Zeichnungen, lustigen Geschichten, verständlichen Texten und kniffligen Aufgaben – ein Buch, das gerne in die Hand genommen und in dem gerne gelesen wird. Wir mögen Physik und wir wünschen uns, dass du sie auch magst. Außerdem lachen und basteln wir gerne, staunen und rätseln, sind neugierig und wissbegierig. Und weil wir glauben, dass auch du so bist, haben wir ein Buch zum Lachen, Basteln, Staunen und Rätseln gemacht. Ein Buch, das dich neugierig machen und dein Wissen über die Geheimnisse der Natur vermehren soll. In diesem Buch gibt es auch den „Knobelix“. Du findest ihn nicht nur bei den Zusammenfassungen, sondern auch auf jenen Seiten, die besonders knifflige Aufgaben für dich bereithalten. Viel Freude mit den Abenteuern der Natur wünschen dir die Autoren Horst Fürnstahl Michael Wolfbauer Aufteilung der Abschnitte auf die Autoren: Ralf Becker: 71–82 Horst Fürnstahl: 6–8, 17–26, 53–70, 105–133 Viktor Obendrauf: 83–92 Michael Wolfbauer: 9–16, 27–52, 93–104 Die Arbeitsaufgaben in diesem Buch sind mit Symbolen gekennzeichnet. Die Symbole mit den Kürzeln erklären dir, welche Kompetenz (Zuständigkeit, Urteilsfähigkeit …) auf welchem Anforderungsniveau (Wie hoch liegt die Latte?) die Arbeitsaufgabe fördern soll. Hier die Übersicht über die möglichen Kombinationen: W E S N1 N1 W N1 E N1 S N2 N2 W N2 E N2 S N3 N3 W N3 E N3 S Was bedeuten die Kürzel? W Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen, Kommunizieren E Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren S Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln N1 Anforderungsniveau 1 N2 Anforderungsniveau 2 N3 Anforderungsniveau 3 06945_Kern_01_IVZ.indd 4 20.01.14 07:43 Inhaltsverzeichnis Die Physik bestimmt unser Leben Elektrischer Strom … nützt dem Menschen, ist aber auch gefährlich���������������������9 Zwei Pioniere der Glühlampe; Elektrischer Strom kann nur in einem Stromkreis fließen�������������������������������������������������������� 10 Leiter, Nichtleiter und Halbleiter; In Physik und Technik verwendet man eine Zeichensprache – die Schaltsymbole; Elektrische Einrichtungen können gefährlich sein�������������� 12 Magnetismus … die geheimnisvolle Kraft mit Vorliebe für Eisen����������������������������������17 Alle Körper bestehen aus Teilchen Aufbau der Materie ��������������������������������������������71 Ein missglücktes Zeichenexperiment; Fragen, Fragen ...; ... und eine Antwort: das Teilchenmodell�������������������������������� 72 Halt und Form durch Kraft – die Zustandsformen der Stoffe�������������������������������������������������������������������������������������������������� 74 Teilchenkräfte ermöglichen Zusammenhalt – Kleben, Löten, Schreiben, Malen, Drucken; Ohne Teilchenkräfte kein Leben – Oberflächenspannung und Haarröhrchenwirkung������������������������������������������������������������������ 76 Der Zauberberg; Ein natürlicher und viele künstliche Magnete�������������������������������������������������������������������������������������������� 18 Teilchenkräfte zwischen Wasserteilchen und Stoffteilchen – Lösungen; Teilchen in Bewegung – Diffusion und Brown’sche Bewegung������������������������������������������������������������������ 78 Die Kraft des Magneten; Die Kräfte zwischen Magneten �� 20 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen83 Die Elementarmagnete; Wir leben auf einem Magneten �� 22 Mechanik in Physik und Alltag ����������������������27 Halfen außerirdische Wesen?; Arbeit oder keine Arbeit, das ist die Frage!; Kraft und Weg – gleichwertige Partner�������� 28 Physikalische Arbeit kann man berechnen; Newton und Joule – berühmte Namensgeber!; Maschinen erleichtern dem Menschen die Arbeit������������������������������������� 30 Das Geheimnis der sich selbst öffnenden Tempeltüren; Gase dehnen sich beim Erwärmen aus������������������������������������ 84 Auch Flüssigkeiten und Festkörper ändern ihr Volumen; Die Volumensänderungen sind mit großen Kräften verbunden���������������������������������������������������������������������������������������� 86 Wer siegt im „Dehnungswettstreit“ der Stoffe?; Wie funktionieren Thermometer?���������������������������������������������� 88 Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten; Lageenergie und Bewegungsenergie; Lageenergie und Bewegungsenergie lassen sich ineinander umwandeln; Energie, Energie, Energie ... ������������������������������������������������������������������������ 32 Schall … hörenswert, manchmal lästig und sogar schädlich����������������������������������������������93 Eine kühne Behauptung; Die Brettschaukel ist auch ein Hebel; Zweiseitiger und einseitiger Hebel; Mit dem Hebel kann Kraft gespart werden���������������������������������������������������������� 34 Wie schnell ist der Schall?; Das Echo – eine Laune der Natur; Hoch und tief – laut und leise���������������������������������������� 96 Geschwindigkeitsgewinn am Hebel; Ein Gesetz, das sich nicht brechen lässt ... �������������������������������������������������������������������� 36 Lärm macht krank!; Hörbereich und Schallmessung �������� 100 Der Flaschenzug; Das Wellrad; Arbeit sparen – ein Wunschtraum! �������������������������������������������������������������������������������� 38 Vom Schwerpunkt; Die Lage des Schwerpunktes ist wichtig für die Standfestigkeit �������������������������������������������������� 40 Die Welt, in der wir uns bewegen Körper bewegen sich … sehr unterschiedlich������������������������������������������������������������������45 Der Ritt auf der Kanonenkugel; Ruhe und Bewegung zugleich?; Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung�� 46 Die Geschwindigkeit ist das Maß für die Bewegung ���������� 48 Alle Körper sind träge … sie haben Masse�� 53 Eingefrorene Töne; Schall – was ist das?; Ohne Stoffteilchen keine Schallleitung���������������������������������������������� 94 Von Flöten, Gitarren und anderen Instrumenten����������������� 98 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten��������� 105 Ein schwieriger Fall für „Kommissar“ Archimedes; Auf dem Wasser kann man nicht gehen; Kannst du ein rohes Ei zusammendrücken? �������������������������������������������� 106 Schicht um Schicht mehr Gewichtskraft; Ohne Wasser kein Leben�������������������������������������������������������������������������������������� 108 Stärker als ein Riese; Druckkraft und Druck�������������������������� 110 Im Wasser bist du stärker; Sinken, Schweben und Schwimmen����������������������������������������������������������������������������������� 112 Der Traum vom Fliegen Luftdruck und Auftrieb in Luft ������������������� 117 Der Fels des Polyphem; Körper sind träge������������������������������ 54 Die Magdeburger Halbkugeln; Die Eigenschaften der Gase; Die Lufthülle der Erde������������������������������������������������������ 118 Masse und Gewichtskraft; Das Messen von Massen������������ 56 Der Luftdruck; Die Messung des Luftdrucks������������������������ 120 Kräfte … bewegen und verändern die Welt����������������������������������������������������������������������������61 Die Kraftprobe; Verschiedene Kräfte; Die Wirkung von Kräften ���������������������������������������������������������������������������������������������� 62 Das Messen von Kräften mit Feder-Kraftmessern; Die Maßeinheit der Kraft; Die Darstellung von Kräften; Kraft und Gegenkraft�������������������������������������������������������������������� 64 Die Gewichtskraft; Die Reibungskraft�������������������������������������� 66 Wir nützen den Luftdruck; Luftpumpen�������������������������������� 122 Der Auftrieb in ruhender Luft; Heißluftballon – Fertig machen zum Start!���������������������������������������������������������� 124 Pflanzen können „fliegen“; Vögel können fliegen; Das Flugzeug �������������������������������������������������������������������������������� 126 Aus der Geschichte der österreichischen und inter­ nationalen Luftfahrt�������������������������������������������������������������������� 130 Stichwortverzeichnis�������������������������������������������������������������� 138 5 06945_Buch.indb 5 16.01.14 09:02 Begegnung mit Physik im Alltag Obendrauf Viktor, Gnas Schallentstehung, Schallausbreitung, Schallgeschwindigkeit, Echo, hohe und tiefe Töne, Musikinstrumente, Sprechen, Singen und Hören, Lärmschutz Obendrauf Viktor, Gnas Elektrogeräte, Stromkreis, Stromleiter, Isolatoren, Schaltzeichen, Sicherheit Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Akustik Natürliche Magnete, künstliche Magnete, Magnetkräfte, Magnetpole, Erdmagnetismus, Kompass Obendrauf Viktor, Gnas Elektrizität Obendrauf Viktor, Gnas Magnetismus 6 06945_Buch.indb 6 16.01.14 09:02 Obendrauf Viktor, Gnas Mechanik Obendrauf Viktor, Gnas Körper, Masse, Trägheit, Gewichtskraft, Reibungskraft, Arbeit und Energie, einfache Maschinen, hydraulische Presse, Wasserleitung, Springbrunnen Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Archimedisches Gesetz, Schiffe, Luftdruck, Barometer, Saughaken, Fahrradpumpe, Heißluftballon, Flugzeug Sonne, Licht, Mondfinsternis, Spiegelungen, Brille, Fotoapparat, Regenbogen Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Optik 7 06945_Buch.indb 7 16.01.14 09:02 Einblick in die Physik Zu allen Zeiten versuchten die Menschen, die Natur zu erforschen. Schon in früher Zeit beobachteten sie Natur­ erscheinungen wie den Wechsel von Tag und Nacht, die Jahreszeiten, das Gewitter und den Regenbogen. Sie machten die Erfahrung, dass ein Fell gut wärmt, ein Holzstamm schwimmt und ein zugespitzter Ast sich leichter in den Boden schlagen lässt als ein stumpfer. Ihr Wissen über die Natur wurde immer größer. Im Laufe vieler Jahrtausende gaben die Menschen ihre Kenntnisse von Generation zu Generation weiter. Immer besser kannten sie die Naturgesetze und beherrschten immer mehr Fähigkeiten: Sie bauten Häuser, bestellten die Felder, schufen Werk- und Fahrzeuge, stellten Kleidung und Nahrung her, schrieben und rechneten, druckten Bücher, fanden den elektrischen Strom; sie erkunden den Weltraum, rechnen mit Computern … sind weiterhin neugierig und wissbegierig. Physik bedeutete ursprünglich „Lehre von der Natur“. Heute zählt man noch einige andere Wissenschaften zu den „Naturwissenschaften“: Die Biologie untersucht alles Lebendige: Menschen, Tiere und Pflanzen. Die Chemie befasst sich mit Vorgängen, die mit Veränderungen von Stoffen verbunden sind (wie das Rosten von Eisen, das Sauerwerden der Milch usw.). Die Astronomie erforscht die Himmelskörper. Die Meteorologie untersucht die Entstehung des Wetters. Die Mineralogie ist die Gesteinskunde. Die Geologie beschäftigt sich mit dem Bau und der Entstehung der Erde. Eine Physikerin, ein Physiker untersucht die Dinge auf der Welt und möchte wissen, wie die Dinge sind, warum sie gerade so sind, wie sie entstanden sind, wie viele es von ihnen gibt, was sie miteinander verbindet, wie wir sie für unsere Zwecke einsetzen können. Im Laufe der Zeit haben sich Teilgebiete der Physik herausgebildet: Die Mechanik untersucht die Eigenschaften der Körper unter dem Einfluss von Kräften. Die Akustik behandelt alles, was mit Schall zu tun hat. Zur Kalorik gehören die Wärmeerscheinungen. Die Optik befasst sich mit dem Licht. Die Elektrizitätslehre beschreibt alle elektrischen Erscheinungen. Die Kernphysik erforscht die kleinsten Teilchen, aus denen die Körper bestehen. Wichtige Arbeitsweisen in der Physik sind: Beobachten, Messen, Beschreiben, Verallgemeinern, Erklären, Vermuten, Ableiten, Voraussagen, Bestätigen und Experimentieren. Im Experiment lassen sich Naturvorgänge nachahmen, verändern, kontrollieren, beliebig oft wiederholen und genau beobachten. Störende Umwelteinflüsse (z. B. schlechtes Licht) können dabei vermieden werden. Die Erkenntnisse der Naturwissenschaften werden von der Technik für den Menschen nutzbar gemacht. Viele technische Einrichtungen helfen uns bei der Arbeit (Computer, Motoren), verbinden uns mit anderen Menschen (Telefon, Internet), sorgen für unsere Gesundheit (Röntgenapparat), informieren und unterhalten uns (Fernsehapparat). 8 06945_Buch.indb 8 16.01.14 09:02 Elektrischer Strom ... nützt dem Menschen, ist aber auch gefährlich Die Schienen sind die Leitungen, die den E-Motor und die Beleuchtung der Spielbahn mit elektrischem Strom versorgen. Hinter Türen mit solchen Schildern lauert höchste Gefahr! Bei Hochspannung genügt schon ein zu geringer Abstand zu blanken Teilen, um in den Stromkreis zu geraten. Der Stecker in der Mitte darf nur für Kleingeräte verwendet werden. Der Stecker ganz links hat einen Schutzkontakt zur Erdung des Gehäuses des Elektrogerätes. Jedes Elektrogerät enthält Stromkreise, die mit dem eingebauten Schalter geschlossen werden können. Wolfbauer Michael, Graz; Fotolia.com/Fatman73; ingimage.com; Fotolia.com/VRD; Fotolia.com/babimu; Wolfbauer Michael, Graz; Mit zwei verschiedenen Metallblechen und einem Apfel lässt sich eine „Batterie“ bauen. Beachte die Anzeige am Messgerät! 9 06945_Kern_02_Kapitel_1.indd 9 20.01.14 08:18 Elektrischer Strom Zwei Pioniere der Glühlampe kurzer Zeit die Augen wehtaten, starrte Goebel verzückt in das grelle Licht der Lampe. „Es ist gelungen“, murmelte er dabei betroffen, als habe er selbst nicht an den Erfolg geglaubt. (Nach: H. W. Gaebert, „Der große Augen­ blick in der Technik“, Loewes Verlag) Wolfbauer Michael, Graz Der Deutsch‐Amerikaner H. Goebel experimentierte möglicherweise schon vor T. A. Edison mit Glüh­ lampen, jedoch gelang Edison 1880 die Patentierung und danach die industrielle Herstellung. Fotolia.com/fotomek Vorsichtig schloss Goebel die beiden Drahtenden, die aus der leeren Kölnischwasser-Flasche herausragten, mit Klemmen an zwei isolierte Drähte an. Den einen verband er mit dem negativen Pol des Akkus. Nun erfasste ihn Aufregung: Die nächsten Sekunden würden entscheiden, ob sein Vorhaben endlich gelingt! Seine Hände zitterten ein wenig, als er sich mit dem zweiten Draht dem positiven Pol näherte. Vorsichtig klemmte er ihn fest. Im gleichen Augenblick erstrahlte die ganze Küche in einem weißen, grellen Licht. Es spiegelte sich dutzendfach in der vernickelten Wasserpfanne des Herdes, dem blanken Kupferkessel und den zahl­losen Tassen und Tellern im Regal. Obwohl ihm schon nach Ein Gang durch die Geschichte der Leuchtmittel: Glühbirne mit Metallfaden ab 1890 – Kompaktleuchtstofflampe ab 1985 – LED Leuchtmittel mit Schraubfassung 2007. Glühbirnen für 230 V dürfen seit 2009 nicht mehr in der EU hergestellt oder importiert werden. Ein einfacher Stromkreis – baue ihn nach! Elektrischer Strom kann nur in einem Stromkreis fließen meisten Fällen gibt es auch einen Schalter, mit dem man den Strom­ kreis unterbrechen kann. Beim O-Bus gibt es zwei Fahrdrähte. Wolfbauer Michael, Graz Jede Stromquelle verfügt über zwei Anschlüsse. Elektrogeräte werden ganz allgemein als Ver­ braucher bezeichnet. Damit elekt­ rischer Strom von der Stromquelle zum Verbraucher und auch wieder zurück fließen kann, sind leitende Verbindungen notwendig. In den Wolfbauer Michael, Graz Ein elektrischer Stromkreis besteht aus einer Stromquelle, dem Verbraucher und den elektrischen Leitungen. Jedes Elektrogerät benötigt eine Stromquelle. Eine Stromquelle kann sein: eine Batterie, die Steckdose, die Licht­ maschine des Fahrrades („Dyna­ mo“). Mit einer Steckdose als Stromquelle darf man jedoch nie­ mals experimentieren, es besteht Lebensgefahr! Wo ist hier die zweite Leitung? 10 06945_Buch.indb 10 16.01.14 09:02 ElEktrischEr strom Übungen 1 N1 E Probiere und entscheide! Das Lämpchen leuchtet leuchtet nicht m m m m m m m m m m m m Begründe! 2 N1 W Zeichne den Stromweg im Lämpchen ein! Glaskolben Glühfaden Glassockel Haltedrähte Kontaktstelle am Gewinde Schraubgewinde Isoliermasse Fußkontakt 3 N1 E Verbinde die Elektrogeräte mit den passenden Stromquellen! 4 N1 E Elektrischer Strom ist nur an seinen Wirkungen erkennbar: Beispiel: Glühbirne › Lichtwirkung E­Herd › ... 11 06945_Buch.indb 11 16.01.14 09:02 Elektrischer Strom Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Leiter, Nichtleiter und Halbleiter So darfst du probieren, ob durch den Körper Strom fließt! Ein Nichtleiter umgibt den Leiter – warum? Der Mikrochip aus dem Computer enthält Halbleiter. Elektrische Leitungen bestehen aus Stoffen, die den elektrischen Strom leiten können. Dazu gehö­ ren vor allem die Metalle. Ein sehr guter, nicht allzu teurer Leiter ist das Metall Kupfer. Es wird deswe­ gen im Haushalt für fast alle elektri­ schen Leitungen verwendet. Silber leitet den elektrischen Strom am besten, Eisen schlechter als Kupfer. Auch Trinkwasser leitet den Strom. Der menschliche Körper enthält sehr viel Wasser, daher kann der sorglose Umgang mit elektrischen Einrichtungen lebensgefährlich sein. Es gibt andererseits sehr viele Stoffe, die den elektrischen Strom überhaupt nicht leiten können: trockenes Holz, Glas, Kunststoff („Plastik“), Gummi, Porzellan … Diese werden Isolatoren genannt. In der heutigen Zeit spielt noch eine weitere Gruppe von Stoffen eine sehr wichtige Rolle. Es sind die Halbleiter. Sie werden z. B. für elektronische Bauteile verwendet. In Physik und Technik verwendet man eine Zeichensprache – die Schaltsymbole Einige Schaltsymbole: Stromquelle (Batterie) Stromquelle (Steckdose) Glühlampe (Verbraucher) Stromquelle (Batterie) Stromquelle (Steckdose) Glühlampe (Verbraucher) Schalter offen Schalter geschlossen Elektromotor Schalter offen Schalter geschlossen Elektromotor Elektrische Einrichtungen können gefährlich sein Unsachgemäßes Hantieren mit elektrischen Einrichtungen hat schon vielen Menschen das Leben gekostet. Der Mensch besitzt kein Sinnesorgan, mit dem er feststellen kann, ob eine elektrische Einrich­ tung „unter Strom steht“. Daher ist es lebensnotwendig, einige Grund­ regeln zu kennen und zu beachten: • Benütze zum Experimentieren nur Taschenlampenbatterien! • Stecke nie Gegenstände in eine Steckdose! • Berühre Elektrogeräte und ein­ geschraubte Glühbirnen nie mit feuchten Händen! • Beschädigte elektrische Einrich­ tungen müssen von Fachleuten • • • • repariert und ausgetauscht werden! Ziehe Stecker nie am Kabel aus der Steckdose! Knicke und quetsche keine Kabel! Berühre nie herabhängende Kabel oder Leitungen! ... 12 06945_Buch.indb 12 16.01.14 09:02 ElEktrischEr strom Übungen 5 N2 W Fertige zwei Schaltskizzen an! Im geschlossenen Stromkreis sollen a) 6 a) Batterie, Lämpchen, Leitung und b) zusätzlich ein Schalter sein. b) N3 S Erläutere anhand der Zeichnungen die Gefahren des elektrischen Stromes! 7 N3 S Es gibt noch viele weitere Situationen, in denen der elektrische Strom gefährlich werden kann. Besprich mit deiner Nachbarin, deinem Nachbarn und mache Notizen! 13 06945_Buch.indb 13 16.01.14 09:02 ElEktrischEr strom K N O B E L I X 1 N1 E In einer der drei Schaltskizzen gibt es einen Kurzschluss. Baue die Schaltungen nach und entscheide! Kurzschluss: kein Kurzschluss: 2 N1 m m m m m m E Serienschaltung und Parallelschaltung von Batterien: Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Du brauchst: Flachbatterien, Experimentierkabel, Lampenbrett mit Lämpchen Zeichne dazu eine Schaltskizze! Du hast eine Serienschaltung zweier Batterien aufgebaut. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Zeichne dazu eine Schaltskizze! Du hast eine Parallelschaltung zweier Batterien aufgebaut. 3 N2 E Baue zusätzlich einen Stromkreis aus einer Batterie und einem Lämpchen auf und vergleiche! Bei der Serienschaltung von Batterien leuchtet das Lämpchen ... Bei der Parallelschaltung von Batterien leuchtet das Lämpchen ... 14 06945_Buch.indb 14 16.01.14 09:02 ElEktrischEr strom K N O B E L I X 4 N1 E Serienschaltung und Parallelschaltung von Verbrauchern: Du brauchst: eine Flachbatterie, Experimentierkabel, zwei Lampenbrettchen mit Lämpchen Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Zeichne dazu eine Schaltskizze! Du hast eine Serienschaltung mit zwei Verbrauchern aufgebaut. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Zeichne dazu eine Schaltskizze! Du hast eine Parallelschaltung mit zwei Verbrauchern aufgebaut. 5 N1 E Entferne ein Lämpchen aus der Serienschaltung! Das andere Lämpchen ... 6 N2 E 7 N2 E Entferne ein Lämpchen aus der Parallelschaltung! Entscheide: Verbraucher im Haushalt und auch im Auto sind Das andere Lämpchen ... in Serie geschaltet Begründe die Ergebnisse der Aufgaben 5 und 6! parallel geschaltet m m sowohl in Serie als auch parallel geschaltet m Begründe! Kurz zusammengefasst ‘ Ein elektrischer stromkreis besteht aus einer stromquelle, den leitungen und dem Verbraucher. ‘ man unterscheidet zwischen elektrischen leitern, Nichtleitern und halbleitern. Experimentiere nie mit dem strom aus der steckdose – du begibst dich dabei in lebensgefahr! 15 06945_Buch.indb 15 16.01.14 09:02 Elektrischer Strom Lexikon Begriff wird auch in der Wärmelehre für Stoffe verwendet, die Wärme schlecht leiten. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz A bei der die ungleichnamigen Pole von Stromquellen miteinander ver­ bunden wer­ den. Ergebnis: Die Spannung steigt. Arbeit, elektrische, die; wird im Haushalt in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Ein E-Gerät hat 1 kWh Arbeit verrichtet, wenn es bei einer Leistung von 1 kW (= 1 000 W) eine Stunde in Betrieb war. Batterie, die; Sammelbegriff für che­ mische Stromquellen verschiedens­ ter Ausführung: Flachbatterie, Stab­ batterie, Blockbatterie, Knopfzelle … Unbrauchbare Batterien gehören nicht in den Hausmüll. An vielen tainer zur Entsor­ Stellen sind Con­ gung von Batterien aufgestellt. Elektrizität, die; Sammelbegriff für elektrische Erscheinungen. Das Wort kommt vom griechischen Wort Elekt­ ron (= Bernstein). An Bernstein, dem versteinerten Harz eines Nadelbau­ mes, wurden schon in frühester Zeit elektrische Erscheinungen beobach­ tet. Elektrizität kann in verschiede­ nen Erscheinungsformen auftreten: Reibungselektrizität, galvanische Elektrizität (Batterie), Induktions­ elektrizität (Fahrradlichtmaschine, Kraftwerk), atmosphärische Elektri­ zität … Generator, elektrischer, der; Gerät zur Bereitstellung von elektrischer Energie; eine Stromquelle. Halbleiter, der; Stoff (meist in Kris­ tallform), dessen Leitfähigkeit zwi­ schen der von Leitern (Metallen) und Nichtleitern liegt. Selen, Germanium und Silicium sind Halbleiter. Ohne die moderne Halbleitertechnik gäbe es z. B. keinen Computer. Isolator, der; Stoff mit fehlender Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten (= Nichtleiter). Der gleiche Wolfbauer Michael, Graz Hier wird in Serienschaltung die Stromstärke gemessen, die vom Lämpchen in diesem Stromkreis „erlaubt“ wird. Leistung, elektrische, die; wird in Watt angegeben. J. Watt (1736– 1819) gilt auch als der Erfinder der modernen Dampfmaschine. Ein E-Gerät leistet 1 Watt, wenn bei der Spannung von 1 Volt eine Strom­ Ampere gemessen stärke von 1 werden kann. Parallelschaltung, die; Schaltungs­ art, bei der die gleichnamigen Pole von Stromquellen miteinander verbunden werden. Ergebnis: Die Spannung bleibt unverändert. Spannung, die; ist die Ursache des elektrischen Stromes. Einheit: 1 Volt (nach dem italienischen Wissenschafter A. Volta, 1745–1827). Haushaltssteckdosen weisen eine Spannung von 230 Volt auf. Stromquelle, die; nennt man eine Vorrichtung mit zwei Kontakten, an die man elektrische Verbraucher anschließen kann. Diese Kontakte werden auch Pole genannt. Batterien und Generatoren sind Stromquellen. Stromstärke, die; Maß für die Elekt­ ronenmenge, die durch einen Leiter­ querschnitt fließt. Einheit: 1 Ampere (nach dem französischen Wissen­ schafter A. M. Ampère, 1775–1836). Verbraucher, der; Überbegriff für Geräte, die die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln (Licht, Kraft, Wärme …). Elektrischer Strom wird nicht verbraucht. Beweis: Die Stromstärke ist an jeder Stelle eines Stromkreises gleich (auch nach dem „Verbraucher“!). Voltmeter, das; Messgerät zur Bestimmung der elektrischen Spannung. Pole einer Stromquelle; nennt man die Kontakte, an die der Verbraucher angeschlossen wird. Batterien haben einen Pluspol und einen Minuspol, Haushaltssteckdosen nicht. Bei den Haushaltssteckdosen dürfen passen­ de Stecker beliebig angesteckt werden. Sicherung, die; Vorrichtung zum Schutz elektrischer Stromkreise vor zu hohen Stromstärken (Brand­ gefahr!). Man unterscheidet zwi­ schen Schmelzdrahtsicherungen und elektromagnetischen Sicherun­ gen. Serienschaltung, die; Schaltungsart, V Wolfbauer Michael, Graz Amperemeter, das; ist ein Messgerät zur Bestimmung der Stromstärke. Hier wird in Parallelschaltung zum Lämpchen die Spannung der Batterie gemessen. Das Lämpchen kann dabei auch herausgeschraubt werden. 16 06945_Buch.indb 16 16.01.14 09:02 Magnetismus ... die geheimnisvolle Kraft mit Vorliebe für Eisen Magnete wirken auch ohne direkte Berührung aufeinander. Der Raum um einen Magneten heißt magnetisches Feld. Magnetisches Spielzeug ist praktisch. Die Spielfiguren können nicht so leicht umgestoßen werden. Mit einer magnetisierten Nähnadel kannst du einen einfachen Kompass bauen. Lies nach auf Seite 23! In Elektromotoren wirken magnetische Kräfte aufeinander. Ein isoliertes Kabel, durch das Strom fließt, wird magnetisch. Es ist ein einfacher Elektromagnet. Obendrauf Viktor, Gnas Magnete sind für die Stromerzeugung wichtig. Man findet sie in Fahrraddynamos und in den Generatoren der Kraftwerke. 17 06945_Kern_02_Kapitel_1.indd 17 20.01.14 08:18 Magnetismus Der Zauberberg Adschib, der Sohn des Königs Kassib, hatte eine Vorliebe für Reisen zur See. Eines Tages wollte er alle Inseln besuchen, die zu seines Vaters Reich gehörten. Er nahm sich ein Schiff und stach in See. Die Reise dauerte nun schon zwanzig Tage, als ein Matrose von der Spitze des Mastes ausrief: „O Gebieter! Ich sehe ein Ding in der Ferne, das ist bald dunkel, bald hell.“ Als der Kapitän diese Worte des Matrosen vernahm, riss er seinen Turban vom Haupte, warf ihn auf das Deck und raufte seinen Bart. Der Königssohn fragte den Kapitän, was der Matrose gesehen hätte. Dieser erwiderte: jenes Gestein mit einer geheimnis­ vollen Kraft begabt und mit einer besonderen Vorliebe für Eisen versehen.“ „Mein Fürst, morgen werden wir zu einem Berge von schwarzem Gestein kommen, denn in diese Richtung reißt die Strömung und wir sind dagegen machtlos. Sobald wir in seine Nähe kommen, werden die Planken des Schiffes sich öffnen und jeder Nagel wird herausgerissen und an dem Berg haften; denn Allah hat Nach diesen Worten begann der Kapitän zu jammern und ein jeder nahm Abschied von seinem Freund. Am nächsten Tag fielen die Nägel aus den Planken und alle stürzten ins Meer, denn das Schiff zerfiel. (Aus: „Märchen Nacht“) aus Tausendundeiner Ein natürlicher und viele künstliche Magnete Obendrauf Viktor, Gnas Stärkere Magnete werden heutzu­ tage aus Stahl und anderen Metall­ legierungen hergestellt. Nach ihrem Aussehen nennt man sie Hufeisenmagnete, Stabmagnete und Ringmagnete. Ein besonderer Magnet ist der Elektromagnet. Er lässt sich „ein-“ und „ausschalten“, sowie auf die gewünschte Stärke einstellen. Verschiedene Ausführungen von Magneten Obendrauf Viktor, Gnas Im antiken Griechenland (vor Christi Geburt) kannte man einen Stein, der kleine Eisen­ teilchen anzog. Diese Kraft des Magneteisensteines nennt man Magnetismus. Die Magnetkraft des Magnet­eisensteines ist nicht sehr groß. Obendrauf Viktor, Gnas Ein Magneteisenstein Ein Elektromagnet kann schwere Lasten heben. 18 06945_Buch.indb 18 16.01.14 09:02 mAGNEtismus Übungen 1 N1 W Es gibt verschiedene Magnete. Benenne sie! 2 N1 E Prüfe, was von einem Magneten angezogen wird! Gegenstand 3 N1 wird angezogen wird nicht angezogen E Bezeichne bei den Magneten der Nummer 1 den grünen Teil mit S (= Südpol), den roten Teil mit N (= Nordpol)! 4 N1 E Ein starker Hufeisenmagnet wird einem Nagelhäufchen genähert. Überlege: Wie befinden sich die Eisennägel an dem Hufeisenmagneten nach der Anziehung? Zeichne die Nägel an den Magneten! Führe anschließend den Versuch durch und vergleiche! ? 19 06945_Buch.indb 19 16.01.14 09:02 Magnetismus Obendrauf Viktor, Gnas Die Kraft des Magneten Ein Magnet zieht Eisen an. Obendrauf Viktor, Gnas Wenn du einem Magneten ver­ schiedene Gegenstände näherst, merkst du, dass er Eisen anzieht. Die Kraft des Magneten wirkt schon in einiger Entfernung vom Metall und durch verschiedene Stoffe (Papier, Glas, Holz) hindurch. Doch nicht nur der Magnet zieht das Eisenstück an, sondern das Ei­ sen ebenso den Magneten. Probie­ re: Hält man den Eisengegenstand fest, bewegt sich der Magnet auf ihn zu. Er wird angezogen. Du stellst fest: Die Anziehung ist wechselseitig, das heißt: Beide Körper üben aufeinander die gleich große Kraft aus. Eine Physikerin, ein Physiker würde so sagen: „Beide Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet.“ Die Anziehung ist gegenseitig. einen Stabmagneten, entstehen wieder Magnete mit einem Nordund einem Südpol. Die Magnetpole Jeder Magnet hat zwei Stellen, an denen er am stärksten ist. Sie werden Pole genannt. Übrigens: Durch Eisen wirkt die magnetische Kraft nicht. Daher lässt sich ein Magnet mit Eisen abschirmen. Obendrauf Viktor, Gnas Wenn man einen Stabmagneten drehbar aufhängt, zeigt ein Ende fast genau nach Norden. Es wird daher auch als Nordpol bezeich­ net. Das andere Ende zeigt nach Süden und heißt Südpol. Bei bemalten Magneten ist der Nordpol rot, der Südpol grün. Es ist nicht möglich, die Pole eines Magneten zu trennen. Zerteilt man Ein Magnet lässt sich nur in vollständige Magnete zerteilen. Ungleichnamige Pole ziehen einander an. Zwischen den Polen von Magneten wirkt eine Kraft, die umso größer wird, je näher sich die Magnete kommen. Magnetpole mit gleichem Namen Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Die Kräfte zwischen Magneten Gleichnamige Pole stoßen einander ab. (Nord–Nord, Süd–Süd) stoßen einander ab. Ungleichnamige Pole (Nord–Süd) ziehen einander an. Legst du zwei Stabmagnete so an­ einander, dass gleichnamige Pole zusammenkommen, verstärkt sich die Magnetkraft. Im umgekehrten Fall wird die Magnetkraft der Pole geschwächt. 20 06945_Buch.indb 20 16.01.14 09:02 mAGNEtismus Übungen 5 N1 E Wie wirken die Pole zweier Magnete aufeinander? S S N SN S N N stellung der Pole S S N NN N S S N N S SS S N N N N S NS N S S 6 N1 Anziehung Abstoßung N–S E Ein Taschenmesser: a) In der Klinge aus Stahl sind die Elementarmagnete ungeordnet. Zeichne fertig! b) Die Elemenarmagnete werden geordnet, die Klinge wird magnetisch. c) Die Elemenarmagnete sind ausgerichtet. Vervollständige die Zeichnung und kennzeichne die Pole! a) b) c) 7 N1 E Wir zerschneiden eine magnetische Stricknadel! Bezeichne die Magnetpole! 8 N1 E Ein Hufeisenmagnet, zwei Stabmagnete, ein Nagel und eine Kompassnadel bilden eine geschlossene Kette. Bezeichne die Magnetpole der Einzelteile! 21 06945_Buch.indb 21 16.01.14 09:02 Magnetismus Die Elementarmagnete N S Elementarmagnet a) N b) S Beim Magnetisieren werden Elementarmagnete geordnet. Man stellt sich ein Eisenstück aus vielen kleinen Magneten bestehend vor, die man Elementar­ magnete nennt. Solange die Elementarmagnete ungeordnet sind, haben sie keine einheitliche Kraftrichtung und daher keine nennenswerte Magnetkraft. Wird Die Magnetkraft wird a) durch Erschütterung und b) durch Erwärmung geschwächt. ihnen jedoch ein Magnet genähert, so richten sie sich so aus, dass alle ihre Nordpole in die eine, alle Süd­ pole in die andere Richtung weisen. Solange diese Ordnung der Elementarmagnete besteht, bleibt das Eisen magnetisiert. Entfernt man den ordnenden Magneten, wird Weicheisen wieder un­ magnetisch. Stahl hingegen behält die Magnetkraft. Diese kann durch Erwärmung, Klopfen, Hämmern oder durch einen anderen Magneten ge­schwächt werden. Wir leben auf einem Magneten Der eine Magnetpol der Erde liegt in der Nähe des Nordpols (in der Arktis), der andere in der Nähe des Südpols (in der Antarktis). magnetisch Süd Ein Kompass enthält eine drehbare Magnetnadel, die von den Magnet­ polen der Erde in die Nord-SüdRichtung gebracht wird. Auf diese Weise kann er zur Bestimmung der Himmelsrichtungen und zur Orien­ tierung auf der Erde verwendet werden. Der Kompass besteht aus einem Gehäuse, einer Scheibe mit den Himmelsrichtungen, genannt Windrose, und einer Magnet­nadel. Fürnstahl Horst, Graz Die Erde ist ein großer Magnet. Wie jeder andere Magnet hat sie zwei Pole und in ihrer Umgebung einen magnetischen Wirkungsbereich, den man das Magnetfeld der Erde nennt. Ein Magnetkompass S Erdachse magnetisch Nord Die Erde ist ein Magnet. S N N Die Magnetnadel zeigt nicht zum geografischen, sondern zum magnetischen Pol der Erde. 22 06945_Buch.indb 22 16.01.14 09:02 mAGNEtismus Übungen 9 N1 W Bastle dir einen Elektromagneten! Befestige an den blanken Enden eine Büroklammer! 10 N1 Obendrauf Viktor, Gnas Winde das Kabel eng um den Nagel! Obendrauf Viktor, Gnas Isoliere das Kabel an den Enden ab! Obendrauf Viktor, Gnas Die Teile. Obendrauf Viktor, Gnas einen dünnen, isolierten Draht (etwa 1m lang) zwei Büroklammern Obendrauf Viktor, Gnas eine Batterie einen Eisennagel Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: Stecke die Büroklammern auf die Batteriekontakte! Überprüfe die Magnetkraft des Elektromagneten! W Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: eine Nähnadel einen Flaschen­ korken einen Teller einen Magneten ein Messer Klebstoff Die Teile. Obendrauf Viktor, Gnas Bastle dir einen „Kompass“ und überprüfe die Himmelsrichtungen! Schneide vom Korken eine Scheibe ab! Obendrauf Viktor, Gnas Fülle den Teller mit Wasser und lass die Nadel schwimmen! Klebe die Nadel auf die Korkscheibe! Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Magnetisiere die Nähnadel! Verdrehe Teller und Nadel, beobachte das Verhalten der Nadel und vergleiche mit einem echten Kompass! 23 06945_Buch.indb 23 16.01.14 09:02 mAGNEtismus K N O B E L I X 1 N1 E Beide Magnetwagen sollen vom Hufeisenmagneten abgestoßen werden. Bezeichne die Magnetpole so, dass dieser Fall eintritt! 2 N1 S Welche Kraft haben aneinandergelegte Magnete, die einem Nagelhaufen genähert werden? Schätze und versuche, die unterschiedliche Magnetkraft durch die Anzahl der angezogenen Nägel darzustellen! 3 N N S S S N N S N S S N N N S S N S N1 E Kennzeichne mit einem Pfeil die Bewegungsrichtung des drehbaren Magneten! 4 N1 E Der Nagel fällt nach links, sobald der obere Magnet ihm von rechts her genähert wird. Bezeichne die Pole! 24 06945_Buch.indb 24 16.01.14 09:02 mAGNEtismus K N O B E L I X 5 N1 E Werden die Eisennägel unter den verschiedenen Platten bei Annäherung eines Magneten angezogen? Trage unterhalb den richtigen Buchstaben ein! A B C Glas Sie werden angezogen bei 6 N2 Holz ; sie werden nicht angezogen bei Eisen . S Überlege: Fallen Gegenstände aus Eisen deswegen zu Boden, weil sie der Erdmagnetismus anzieht? Kurz zusammengefasst ‘ Ein natürlicher magnet: der magneteisenstein künstliche magnete: stabmagnet, hufeisenmagnet, ringmagnet, Elektromagnet ‘ magnete ziehen Eisen (Nickel, cobalt) an. Die kraft zwischen magneten und Eisen ist wechselwirkend. Die stellen besonders starker Anziehung werden Pole (Nordpol, südpol) genannt. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. Jedes teilstück eines magneten ist ein vollständiger magnet. ‘ Beim magnetisieren werden die Elementarmagnete geordnet. Die Erde ist ein großer magnet mit zwei Polen. ihr magnetfeld reicht in den Weltraum. magnetische und geografische Pole der Erde fallen nicht zusammen. Ein frei beweglicher magnet stellt sich in die Nord­süd­richtung ein. Ein kompass besteht aus Gehäuse, Windrose und magnetnadel. 25 06945_Buch.indb 25 16.01.14 09:02 mAGNEtismus Lexikon Elektromagnet, der; eine aus Draht aufgewickelte Spule, die bei Strom­ durchfluss magnetisch wird. Die Spule verhält sich dabei wie ein Stabmagnet. Die Magnetkraft wird besonders stark, wenn man das Innere der Spule mit Eisen füllt. Praktische Anwendung findet der Elektromagnetismus an Kränen zur Verladung von Gütern aus Eisen, in elektrischen Messgeräten, bei automatischen Schaltern (Relais; sprich: Relä), beim Generator und Dynamo zur Stromerzeugung, im Telefon, im Transformator und beim Elektromotor. Elektromagnetismus, der; nennt man die durch den elektrischen Strom hervorgerufenen magneti­ schen Erscheinungen. Der dänische Physiker H. Chr. Oersted entdeckte 1820 die Wechselwirkung zwischen elektrischen Strömen und Magneten. Danach entsteht in der Umgebung eines Strom führenden Leiters ein Magnetfeld. kompass, der; ein Richtungsweiser. Der Kompass zeigt durch seine Magnetnadel, ein frei bewegliches Stück magnetisches Eisen, mit einem Ende stets nach Norden. Der Magnetkompass war schon 1100 v. Chr. den Chinesen bekannt und kam im Mittelalter in Europa in Gebrauch. Damit wurde es möglich, Ozeane zu überqueren und dabei die Orientierung nicht zu verlieren. Heute wird in der Schifffahrt meist der elektrisch betriebene kreisel­ kompass verwendet, der unabhän­ gig vom magnetischen Nordpol stets in dieselbe, vorher eingestellte Richtung weist. legierung, die; durch Zusammen­ schmelzen mehrerer Metalle entstandener Stoff. Das Legieren verfolgt das Ziel, Stoffe mit ganz bestimmten Eigenschaften herzu­ stellen. Ein Beispiel für eine Metall­ legierung mit guten magnetischen Eigenschaften ist „Alnico“ aus Aluminium, Nickel, Cobalt und Eisen. magnet, der; ein Körper, der in seiner Umgebung ein Magnetfeld erzeugt. Jeder Magnet hat zwei Pole (Nord­ 26 und Südpol) und stellt sich bei freier Beweglichkeit in die Nord­Süd­ Richtung ein. Magnete haben meist Stab­, Hufeisen­ oder Ringform. magnetschwebebahn, die; ein in der BRD und in Japan entwickeltes Schwebefahrzeug. Die Magnet­ schwebebahn wird durch magneti­ sche Kraft 1 cm hoch über einer Schiene gehalten und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 400 km / h (400 km pro Stunde). Der Betrieb der Magnetschwebebahn ist umweltfreundlicher, geräusch­ ärmer und energiesparender als die Verwendung der luftkissenbahn, die mit Druckluft in Schwebe gehalten wird. magnetberg, der; nach alten morgenländischen Sagen ein Berg aus Magneteisenstein mitten im Meer. Vorüberfahrenden Schiffen würden alle Eisenteile aus dem Holz gezogen, so dass sie auseinander­ brechen und versinken. magnetische missweisung, die (Deklination); der Winkel, um den die Richtung einer Magnetnadel von der geografischen Nordrichtung abweicht, da die erdmagnetischen Pole nicht mit den geografischen Polen zusammenfallen. Magnetischer Südpol Geografischer Nordpol N W O S magnetische Pole, die; nicht mit den geografischen Polen überein­ stimmende Pole des Magnetfeldes der Erde. Als Ursache des Erdmag­ netismus vermutet man elektrische Ströme im Inneren der Erde. Die Lage der Magnetpole verschiebt sich im Laufe der Zeit. Der magnetische südpol liegt zur N W Zeit im Norden Kanadas, der magnetische Nordpol im Gebiet der Antarktis. Auch die Stärke des Erdmagnetismus schwankt. Besonders starke Änderungen nennt man magnetische Stürme. Sie werden von der Sonne ausgelöst und sind oft mit dem Auftreten von Polarlicht verbunden. Die zwischen den Polen liegenden Teile eines Magneten besitzen nur geringe magnetische Wirkung. Ein Stabmagnet ist in der Mitte praktisch unmagnetisch. magnetismus, der; Sammelbegriff für alle Erscheinungen des magneti­ schen Feldes. Ein Magnetfeld entsteht in der Umgebung jeder bewegten elektrischen Ladung, z. B. eines stromdurchflossenen Drahts (Elektromagnet) oder bei Dauermagneten (z. B. Magneteisen­ stein). magnetit, der; Magneteisenerz, Magneteisenstein; schwarzes, fettig metallglänzendes, magnetisches Mineral; Härte 5 ½; wertvoller Eisenrohstoff ; Fe3O4. magnetophon, das; ein Gerät zum Aufzeichnen von Tönen (Tonband­ gerät, Kassettenrekorder). Im Gegen­ satz zum Grammofon wird jedoch keine Schallplatte, sondern ein Band verwendet. Auf diesem Band ist eine magnetisierbare Schicht aufgetragen, die aus winzigen Teil­ chen von Eisen oder gleichartigem Metall besteht. Die Aufzeichnung von Tönen oder Geräuschen geht so vor sich: Ein Mikrofon wandelt die Schallschwingungen in Strom­ schwankungen um. In einem Elektromagneten erzeugen die Stromschwankungen wechselnde Magnetfelder. Das Band wird an dem Elektromagneten vorbei­ geführt, die Teilchen darauf werden magnetisiert. Bei der Schall­ wiedergabe erregen die Magnet­ felder des Bandes jetzt umgekehrt elektrische Ströme, die in Laut­ sprechern hörbar gemacht werden. O S 06945_Buch.indb 26 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Der Nussknacker wirkt als einseitiger Hebel. Der Hydraulikstempel beim Kipplader nimmt den Arbeitern viel Arbeit ab. Mit dem Kraftgewinn dieses Hebels ist es möglich, ein ganzes Heft auf einmal zu lochen. Eine Kurbel hilft auch beim Spitzen des Bleistifts. Verschieden schwere Kinder können auf einer Brettschaukel im Gleichgewicht sein. Das schwerere Kind hat dazu einen kürzeren Hebelarm gewählt. Stützen werden häufig mit einer Kurbel betätigt. Kurbeln gehören zu den Wellrädern. Wolfbauer Michael, Graz Als einarmiger Hebel erleichtert eine Scheibtruhe die Arbeit erheblich. 27 06945_Buch.indb 27 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Halfen außerirdische Wesen? Wie gelang es den Ägyptern vor 5 000 Jahren, die bis zu 30 m hohen, aus einem Stück bestehenden Obelisken* aufzurichten? Waren es außerirdische Wesen, die dabei halfen? Nein! Forscherinnen und Forscher haben herausgefunden, dass eine Rampe aufgeschüttet wurde, die eine sehr kleine Steigung aufwies. Über diese Rampe zogen viele Sklaven den auf Walzen gelagerten Riesenstein hinauf und kippten ihn langsam in den mit Wüstensand gefüllten, vorbereiteten Schacht. Der Sand wurde von unten her abgegraben und der Obelisk rutschte so allmählich auf ein schon vorher errichtetes Fundament. Schließlich entfernte man die Erdrampe – der Obelisk stand nun frei da, so, wie wir ihn heute noch sehen! * Obelisk: vierkantiger, pyramidenförmig zugespitzter Stein im alten Ägypten Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Arbeit oder keine Arbeit, das ist die Frage! Arbeit, keine Arbeit ... ... keine Arbeit! „Hast du deine Schularbeiten schon erledigt?“ – „Das Vokabel­ lernen war aber anstrengend!“ – „Beim Schneeschaufeln habe ich geschwitzt!“ – „Mit letzter Kraft hinderten wir das Auto am Bergabrollen!“ … Da wurde doch überall gearbeitet, oder …? In der Sprache des Alltags, ja! – Die Physikerin, der Physiker jedoch denkt anders! Arbeit wird nur dann verrichtet, wenn ein Weg unter Kraftaufwand zurück­ gelegt wird. So sehr wir uns auch angestrengt haben, das Auto am Wegrollen zu hindern, physikalisch gearbeitet haben wir dabei nicht, denn wir haben nur Kraft aufgewendet. Beim Vokabellernen gab’s nicht einmal Kraftaufwand …! Kraft und Weg – gleichwertige Partner Kraft und Weg sind gleichwertige Partner! Folgende Überlegungen helfen dir, dies zu verstehen. Zuerst zur Kraft: Florian und Ulrich transportieren mit zwei Schubkar­ ren einen Haufen Gartenerde zu einer bestimmten Stelle im Garten. Der kräftigere Florian lädt jedes Mal doppelt so viel Erde auf. Weil beide zugleich fahren, legen sie auch den gleichen Weg zurück. Florian hat daher zum Schluss die doppelte Arbeit verrichtet. Hätte er dreimal so viel aufgeladen, wäre es die dreifache Arbeit gewesen. Jetzt zum Weg: Florian und Ulrich fahren je zehnmal mit gleich beladenen Schubkarren zu zwei verschiedenen Plätzen. Florians Weglänge ist doppelt so groß. Florian hat daher wieder die doppelte Arbeit verrichtet. Wäre sein Platz dreimal so weit entfernt gewesen, hätte er die dreifache Arbeit verrichtet. Man kann also sagen: Je größer die Kraft bzw. je größer der zurück­ gelegte Weg ist, desto größer ist auch die verrichtete Arbeit. Die Arbeit steht also zur Kraft bzw. zum Weg in einem direkten Verhältnis. Ein letztes Beispiel: Florian und Ulrich haben jeder einen gleich großen Erdhaufen vor sich. Die Erdhaufen sollen um 40 m verlagert werden. Florian lädt auf seinen Schubkarren jeweils doppelt so viel auf wie Ulrich. Es leuchtet doch ein, dass beide trotzdem die gleiche Arbeit verrichtet haben, da Ulrich als Ausgleich zur halben Last den doppelten Weg zurücklegen musste. 28 06945_Buch.indb 28 16.01.14 09:02 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 1 N1 W Kreuze Zutreffendes an! Kraft wird Weg wird aufgewendet zurückgelegt m m m m m m m Den Atlas aus dem Bankfach herausnehmen. Einen Kübel mit Sand tragen. Einen Kübel mit Sand halten. Den Medizinball aus dem Geräteraum holen. Den Medizinball über dem Kopf halten. Bergauf Rad fahren. Das Rad bergab rollen lassen. 2 N1 m m m m m m m ja m m m m m m m Arbeit nein m m m m m m m E Christine und ihr jüngerer Bruder Michael haben ihrem Vater beim Hausbau geholfen. Jeder trug 40 Mauer­ ziegel vom Lkw zur Baustelle. Die kräftigere Christine nahm jeweils zwei Ziegel, Michael nur einen. Berücksichtige nur jene Arbeit, die an den Ziegeln verrichtet wurde! Kreuze an! m m Christine hat mehr gearbeitet als Michael, weil sie jeweils zwei Ziegel getragen hat. m m m Michael hat mehr gearbeitet, weil er einen längeren Weg zurückgelegt hat. Christine hat gleich viel gearbeitet wie Michael, weil der größere Kraftaufwand durch den kürzeren Weg ausgeglichen wurde. Michael hat weniger gearbeitet, weil er immer nur einen Ziegel getragen hat. Michael hat gleich viel gearbeitet, weil der kleinere Kraftaufwand durch den längeren Weg ausgeglichen wurde. 3 N1 E Große und kleine Kisten wurden verschieden hoch gehoben. Die großen sind doppelt so schwer wie die kleinen. Entscheide, in welchen zwei Fällen die gleiche Arbeit verrichtet wurde! A B m m C D 4m 4m 3m 2m 29 06945_Buch.indb 29 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Wolfbauer Michael, Graz Physikalische Arbeit kann man berechnen Arbeitserleichterung beim Pyramidenbau ... ... am Segelschiff ... Im Mathematikunterricht hast du gelernt, dass der Gesamtpreis einer Ware zur Warenmenge in einem direkten Verhältnis steht, genauso wie die verrichtete Arbeit zur Kraft bzw. zum Weg. Dies bedeutet aber, dass du die verrichtete Arbeit auf gleiche Art berechnen kannst wie einen Gesamtpreis: Bestimme den Kraftaufwand F, der in der Wegrichtung wirkt, und die Weglänge s und multipliziere die beiden Werte miteinander: Beispiel: Die Schultasche wird mit einem Kraftaufwand von 50 N 1 m hoch gehoben: Arbeit = Kraft · Weg kurz: W = F · s * Arbeit = 50 N · 1 m Arbeit = 50 Nm Sprich: „Die Arbeit beträgt 50 New­ tonmeter.“ Statt Nm kann man auch Joule (sprich: dschul) sagen. Die Maßeinheit für die Arbeit ist das Joule (J). Eine Arbeit W hat den Betrag von 1 Joule, wenn eine Kraft F von 1 N entlang eines Weges s von 1 m wirkt. 1 J = 1 N · 1 m * W = engl. work = Arbeit; F = engl. force = Kraft; s = engl. space = Weg ... und selbst beim Öffnen des Fensters! Allerdings darf man die Formel W=F·s nur verwenden, wenn der Kraft­ aufwand F während der gesamten Arbeit gleich bleibt und die Richtung der Kraft F genau parallel zum Weg s verläuft. Ein Beispiel soll dir dies erläutern: Solange ein Wasserschifahrer genau hinter dem ziehenden Boot geradlinig fährt, kann man die Arbeit, die dabei anfällt, mit der Formel W = F · s berechnen. Sobald der Wasserskifahrer hinter dem Boot Kurven fährt, gelten an­ dere, recht komplizierte Formeln, von denen du erst später hörst. Newton und Joule – berühmte Namensgeber! Der Engländer Sir Isaac Newton (1643–1889) entdeckte und analy­ sierte das Naturgesetz der Schwer­ kraft (Gravitation). Es wird die Ge­ schichte erzählt, dass ihm bei der Beobachtung eines vom Baum fallenden Apfels die Idee kam, die Gravitation würde auch im Weltall gelten. Wie recht er hatte! Der Engländer John Prescott Joule (1818–1889) beschrieb u. a. die Gleichwertigkeit von mechani­ scher Arbeit und Wärme. Die beiden Männer waren und sind für die Wissenschaft so bedeutend, dass man ihre Namen seit Langem als Begriffe für Kraft bzw. Arbeit verwendet. Maschinen erleichtern dem Menschen die Arbeit Die Ägypter waren nicht die ersten Menschen, die Maschinen bauten, um sich die Arbeit zu erleichtern. Die Menschen erkannten schon früher, dass ihre Kraft oft nicht ausreichte, um schwere Arbeiten zu verrichten. Ohne die Formel für die Arbeit zu kennen, kam der Mensch darauf, dass es leichter ist, große Stein­ blöcke, wie sie auch zum Bau der Pyramiden verwendet wurden, entlang einer schiefen Rampe zu befördern, als sie senkrecht hoch­ zuheben. Auch lernte er Hebel und Rollen mit Seilen so einzusetzen, dass sie den Kraftaufwand ver­ ringerten. Wir wissen ja schon: Je kleiner der Kraftaufwand für eine bestimmte Arbeit ist, desto länger ist auch der Weg, auf dem die Kraft wirkt. Der Mensch lernte nicht nur die Kraft seines Körpers vorteilhaft einzusetzen, sondern auch die Naturkräfte, die in Wind und Wasser stecken. Im 18. Jahrhundert gelang es, die Kraft des Wasserdampfes zu nutzen. Die ersten brauchbaren Elektro- und Verbrennungsmotoren gab es schon vor mehr als hundert Jahren. Die Maschinen ermöglichten den Fortschritt im 20. Jahrhundert. Nicht übersehen dürfen wir aber, dass es die gleichen Maschinen waren, die zu allen Zeiten zu­mindest vorübergehend viele Menschen bei der Arbeit ersetzten. Manche Maschinen, besonders die meist mit Kohle befeuerten Dampfmaschinen, verschmutzten in Industriegebieten auch die Umwelt. Das Ausmaß dieser Umweltverschmutzung steht der heutigen, durch die Ver­ brennungsmotoren verursachten, kaum nach. 30 06945_Buch.indb 30 16.01.14 09:02 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 4 N2 E 1m 2m 10 dag 1m 10 N 5N Hier wurde ein Joule Arbeit verrichtet ... Kraft und Weg sind gleichwertig. Kraft und Weg sind gleichwertig Zeige vor, wie du 1 J / 2 J / 0,5 J / 10 J Arbeit verrichtest! Du brauchst: verschiedene Massestücke 5 N2 S Berechne den Betrag der Arbeit! W=F·s 2m 1m W= W= 200 N W= W= J 100 m 100 m W=F·s W= W= 150 N 150 N J 100 N 20 N 200 N W=F·s 40 m 40 m J W=F·s W= W= J 31 06945_Buch.indb 31 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Seit sich vor Jahren herausgestellt hat, dass die Energievorräte auf der Erde knapp sind, ist das Wort Energie in aller Munde. „Energie“ kommt aus dem Griechi­ schen und bedeutet Tatkraft, also die Bereitschaft, die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wie erhält nun ein lebloser Körper die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten? Am Beispiel eines Steines wirst du es leicht verstehen. Du hebst den Stein hoch und hast damit an ihm Arbeit verrichtet. Genau diese Ar­ beit ist nun im Stein als Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, also als Ener­ gie, gespeichert. Lässt du nämlich den Stein fallen, so verrichtet der Stein wiederum Arbeit – entweder am Untergrund oder an sich selbst: Er schlägt ein Loch oder zerbricht. picturedesk.com/euroluftbild.de/Euroluftbild Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten Das Wasser schießt in den Druckrohren durch die Schwerkraft zu Tal und gibt seine Bewegungsenergie an die Turbinen ab. Die Turbinen treiben Generatoren an. Lageenergie und Bewegungsenergie Durch das Hochheben hast du dem Stein Energie zugeführt. Man sagt, er besitzt Lageenergie. Die Lage­ energie wartet nur darauf, Arbeit verrichten zu dürfen. Körper in Bewegung können ebenfalls Arbeit verrichten. Man spricht von Bewe­ gungsenergie. Der zu Boden fal­ lende Stein hat Bewegungsenergie und verformt damit den Unter­ grund oder sich selbst. Lageener­ gie und Bewegungsenergie sind die beiden Formen der mechani­ schen Energie. Wir haben jetzt nur grob eingeteilt. Weitere häufige mechanische Energieformen in unserer Lebenswelt sind Spann­ energie und Rotationsenergie. Sie sind Unterformen der Lage­ energie bzw. der Bewegungs­ energie. Alle elastischen Körper haben nach einer Verformung Spannenergie gespeichert. So wird z. B. die Federung eines Autos beim Überfahren einer Unebenheit zusätzlich gespannt. Beim Einfedern (= Spannen) speichert sie Energie und gibt sie beim Ausfedern gleich wieder ab. Gummibänder, Bälle, aber auch Brückenkonstruktionen sind an­ dere Beispiele für Körper, die Spann­ speichern und energie abgeben können. Jeder sich drehende (rotierende) Körper hat Rotationsenergie gespeichert. Alle Himmelskörper, die Eisläuferin bei der Pirouette, jedes Schwungrad, jeder Kreisel usw. haben Rotationsenergie. Beim Aufhalten eines Kreisels kann man die gespeicherte Energie spüren. Lageenergie und Bewegungsenergie lassen sich ineinander umwandeln Etwas merkwürdig kam es dir sicher schon vor: Einmal hatte der Stein Lageenergie, dann wieder Bewegungsenergie. Es ist tatsächlich so! Lageenergie und Bewegungsenergie lassen sich ineinander umwandeln. Der senkrecht hochgeworfene Stein hat Bewegungsenergie, die bald vollständig in Lageenergie über­ geht. Einen Sekundenbruchteil verharrt der Stein in Ruhe, bis er zu fallen beginnt. Die Lageenergie nimmt wieder ab, die Bewegungs­ energie dafür zu. Energie, Energie, Energie ... Neben der mechanischen Energie gibt es noch folgende Energie­ formen: • Wärmeenergie • Elektrische Energie • Chemische Energie • Strahlungsenergie • Kernenergie Die Nutzbarmachung der Energie für uns Menschen beruht nur da­ rauf, dass sich alle Energieformen mehr oder weniger gut ineinander umwandeln lassen. Wasserkraftwerke wandeln die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie um, Wärmekraftwerke verwandeln die chemische Energie des Brennstof­ fes teilweise in elektrische Energie. Beim Wasserkraftwerk wird fast die gesamte Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt, beim Wärmekraftwerk weit weniger als die Hälfte! Die restliche Energie ist jedoch nicht verschwunden, sondern „nur“ für unsere Zwecke verloren gegangen – beim Wärmekraftwerk als nutzlose Abwärme in die Luft oder in ein nahes Gewässer (Umweltbelastung durch das warme Wasser!). Dennoch belastet ein Wärmekraftwerk, das gleich­ zeitig in der Umgebung hunderte oder gar tausende Wohnungen mit Fernwärme versorgt, die Umwelt wesentlich weniger, als wenn alle diese Wohnungen einzeln beheizt werden. 32 06945_Buch.indb 32 16.01.14 09:02 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 6 N1 W An einem einfachen „Hammerwerk“ kannst du das Wechselspiel zwischen Lage­ und Bewegungsenergie gut sehen. Keine erhöhte Lageenergie gegenüber dem Nagel. 7 N2 einen Hammer einen Styroporblock (oder mehrere dünne Platten) So führst du dem Hammer Lageenergie zu. Wolfbauer Michael, Graz eine Universalklemme einen Nagel Wolfbauer Michael, Graz ein Stativ einen Proberöhrchenhalter Wolfbauer Michael, Graz Du brauchst: Beim Herabsausen wird die Lageenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. E Beschreibe das Wechselspiel zwischen Lage- und Bewegungsenergie bei einem Pendel! Ständige Energieumwandlungen beim schwingenden Pendel 8 N1 W Welche Energieumwandlungen finden statt? Platte eines E­Herdes: in Fahrraddynamo: in Kerzenflamme: in Wasserkraftwerk: in 9 N1 S Energieumwandlungen sind meist mehrstufig. Beispiel: Die chemische Energie des Benzins wurde im Auto­ motor zuerst in Wärmeenergie und dann in Bewegungsenergie umgewandelt. Suche weitere Beispiele! 33 06945_Buch.indb 33 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Eine kühne Behauptung Der griechische Wissenschafter Archimedes von Syrakus, der im 3. Jh. v. Chr. lebte, soll seinem Herr­ scher gegenüber einen kühnen Ausspruch getan haben: „Gebt mir einen Stützpunkt außerhalb der Erde und ich hebe sie aus den Angeln!“ Archimedes Aussage war natürlich nicht wörtlich zu neh­ men, vielmehr glaubte er, Mittel zu haben, um Kraft sparen zu können. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Die Brettschaukel ist auch ein Hebel Ein Hebel kann im Gleichgewicht ... ... und ... ... auch nicht im Gleichgewicht sein! Mit der Brettschaukel hast du schon als Kind umgehen gelernt. Je nach Körpergewicht muss man verschie­ den weit weg von der Auflage sitzen. Physikalisch betrachtet ist die Brettschaukel ein Hebel, so wie die Stange, mit der du einen großen Stein aufheben kannst. Ein Hebel kann viele Gestalten haben, deswegen sagt man: „Ein Hebel ist ein starrer Körper, der um eine Achse drehbar ist.“ Zweiseitiger und einseitiger Hebel Wir benötigen einige Fachausdrücke: a1, a2 – Hebelarme F1, F2 – Kräfte am Hebel D – Drehachse a1 F1 F1 a1 D D a2 D a2 F2 D a1 F2 a2 Beim zweiseitigen Hebel wirken Kräfte rechts und links von der Drehachse D. a2 F2 a1 F1 F1 F2 Beim einseitigen Hebel wirken die Kräfte auf den gleichen Hebelarm ein. Mit dem Hebel kann Kraft gespart werden Wolfbauer Michael, Graz Zange, Schere, Nussknacker, Türschnalle, Fenstergriff, Lenkrad, Fahrradlenker, Drehknöpfe … sind so konstruiert, dass mit kleinem Kraftaufwand eine große Wirkung erzielt wird. Der Hebelarm, den wir betätigen, ist wesentlich länger als der andere. Wir sprechen von Kraftersparnis. 34 06945_Buch.indb 34 16.01.14 09:02 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 10 N2 W 11 N2 Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Entscheide, ob es sich jeweils um ein- oder zweiseitige Hebel handelt! E Eine Matador­Strebe oder ein Lineal ist ein sehr brauchbares Versuchsgerät! Du brauchst: eine Matador­Strebe oder ein Lineal (ca. 30 cm) einige 1­ oder 2­Euro­Münzen einen Bleistift (eckig) Wolfbauer Michael, Graz Zeige die Kraftersparnis am Hebel! Fertige Skizzen an und begründe! 12 N2 S Kreuze an! Kraftersparnis am Hebel erzielt man ... m ... durch Betätigen des kürzeren Hebelarmes. m ... dadurch, dass man beide Hebelarme gleich lang belässt. m ... durch Betätigen des längeren Hebelarmes. m ... durch stärkeres Betätigen eines beliebigen Hebelarmes. 35 06945_Buch.indb 35 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Geschwindigkeitsgewinn am Hebel Jeder ungleicharmige Hebel kann nicht nur zur Kraftersparnis einge­ setzt werden. Greift die Kraft am kürzeren Kraftarm an, so erzielt man einen Geschwindigkeits­ gewinn. Dieser Geschwindigkeits­ gewinn ist umso größer, je größer das Längenverhältnis zwischen den beiden Kraftarmen ist. Bei Schleuderbrettern kannst du den Geschwindigkeitsgewinn gut beobachten! Ein Gesetz, das sich nicht brechen lässt ... = Kraftwirkung = Kraft · Kraftarm Diese Formel gilt für die Kraft­ wirkung an jedem der Hebelarme, denn jede Last, jede Reibung (Schraube!) ist eine Kraft. Diese Überlegung führt zum Hebel­ gesetz: Ein Hebel befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Kraft­ wirkungen an ihm gleich groß, aber entgegengesetzt sind. a2 a1 1 Wirkungslinie Wie ein Hebel wirkt, weißt du ja schon: Je größer die aufgewendete Kraft und je länger der Kraftarm ist, desto größer ist die Kraftwirkung. Die Länge des Kraftarmes bzw. der Kraftaufwand stehen also in einem direkten Verhältnis zur Kraftwirkung. Die Berechnung der Kraftwirkung ist daher einfach: a Kraftarm (Normalstand) 2 Gerade bei Werkzeugen mit Hebel­ wirkung bemerkst du es gleich: Greifst du sie falsch an, so wirken sie nicht richtig! Meistens liegt es daran, dass man den Hebel nicht weit genug hinten angreift oder dass die Kraftrichtung ungünstig ist. Die fest sitzende Schraube lässt sich nicht lösen oder ein Nagel nicht herausziehen. Dazu muss man wissen, dass der wirksame Kraftarm nur so lang ist, wie der Normalabstand des Hebels – Drehachse von der Wirkungslinie der Kraft. Drückst oder ziehst du in einem ungünstigen Winkel am Hebelarm, so hat der Kraftarm nicht mehr die optimale Länge. Wir wollen deswegen von nun an genauer sein: Der wirksame Teil des Hebelarmes heißt Kraftarm. a2 = 4 Lastarm Last a2 = 3 N sF 2 In der folgenden Wertetabelle sind drei Hebel im Gleichgewicht: F1 (N) · a1 (m) = F2 (N) · a2 (m) 10 · 200 · 3 · sF 1 2 = 5 · 4 0,5 = 50 · 2 16 = 12 · 4 Beachte: Die Kraftwirkungen sind bloß im Gleichgewicht, es bewegt sich also noch nichts! Dafür muss zusätzlich Arbeit verrichtet werden. F1 = 0,5 N a1 = a2 F 1 = F2 s1 4N Kraf t F1 = 6 N Formel: F1 · a1 = F2 · a2 20 cm 4N a2 = a1 2 F1 = F2 2 a1 a2 s2 = s1 2 F2 = 1 N s2 Die Länge des Kraftarmes hängt von der Kraftrichtung ab. Die feste Rolle ändert die Richtung der Kraft. Mit der losen Rolle spart man Kraft. Auch Seilrollen sind Hebel! Erinnern wir uns an den Satz: „Jeder drehbar gelagerte Körper ist ein Hebel.“ Demnach gehören die Seilrollen zu den Hebeln. Man unterscheidet zwischen der festen Rolle und der losen Rolle. Feste und lose Rollen sind häufige Bestand­ teile von Maschinen, die uns die Arbeit erleichtern. Beim Hausbau brauchen wir sie fast immer! Die feste Rolle Die feste Rolle ist ein gleicharmiger zweiseitiger Hebel. Die Kräfte müssen also gleich groß sein, damit an der festen Rolle das Gleichgewicht hergestellt wird. Die feste Rolle dient nur zur Änderung der Kraftrichtung. Kraftweg und Lastweg sind gleich groß. Man kann sein Körpergewicht ein­ setzen, um Lasten hochzuziehen. Die lose Rolle Die lose Rolle ist ein einseitiger Hebel, bei dem der eine Kraftarm doppelt so lang ist wie der andere. Was dies bewirkt, wissen wir schon: Die Kraft am kurzen Hebelarm muss für den Zustand des Gleich­ gewichtes genau doppelt so groß sein. Mit der losen Rolle kann man also Kraft sparen. Der Kraftweg ist jedoch doppelt so groß wie der Lastweg. 36 06945_Buch.indb 36 16.01.14 09:02 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 13 N2 S Geschwindigkeitsgewinn am Hebel: Du brauchst: ein Holzlineal oder eine Matador­Strebe, eine Kugel, einen Bleistift Bei welcher Anordnung wird die Kugel am schnellsten hochgeschleudert? Kreuze an! Merkst du den Unterschied am Kraftaufwand? 14 N2 Ja Ein zweiseitiger Hebel ist im Gleichgewicht. Trage die fehlenden Angaben in die Tabelle ein! a1 10 N 1m 3m 2m 15 N 16 N1 m Nein m 15 E F1 F2 a2 5N 3N Wolfbauer Michael, Graz m Wolfbauer Michael, Graz m Wolfbauer Michael, Graz m Begründe! N2 E Ein einseitiger Hebel ist im Gleichgewicht. Trage die fehlenden Angaben in die Tabelle ein! F1 4m 3m a1 4m 0,1 m 10 N 30 N F2 80 N 90 N a2 2m 1m 0,3 m W Die feste Rolle ändert nur die Kraftrichtung. Du brauchst: Gleicher Kraftaufwand ... 17 N1 Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Stativ Klemme Hakengewichte ... trotz anderer Kraftrichtung! feste Rolle Schnur Kraftmesser Suche in deiner Umgebung nach festen Rollen (Bauernhof, Baustellen ...)! Berichte! W Mit der losen Rolle sparst du Kraft. Probiere es aus! Berücksichtige das Eigengewicht der Rolle! Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Du brauchst: Wie groß ist die Kraftersparnis? Stativ Klemme Hängegewichte Hakenstange Schnur Rolle Kraftmesser Suche in deiner Umgebung nach losen Rollen (Kräne ...)! Berichte! 37 06945_Buch.indb 37 16.01.14 09:02 Mechanik in Physik und Alltag Der Flaschenzug Ein Flaschenzug ist aus festen und losen Rollen zusammengesetzt. Die losen Rollen bewirken Kraftge­ winn, die festen lenken das Seil nur in die richtige Richtung. Flaschen­ züge werden meist mit Motorkraft bedient, bei großen Kränen siehst du es ganz genau! Auf Segel­booten findest du fast immer einen beson­ ders schönen Flaschenzug, der mit der Hand bedient wird: Man regelt damit die Stellung des Großsegels zum Wind. Für die Berechnung der Kraftersparnis gibt es eine einfache Überlegung. Verteilt sich eine Zugkraft gleichmäßig auf zwei Seilstücke, so trägt jedes nur die Hälfte der Zugkraft. Bei vier tragenden Seilstücken trägt jedes nur mehr ein Viertel. Auch hier gilt wieder, dass Kraftersparnis nur über die Verlängerung des Kraftweges möglich ist. ? Wolfbauer Michael, Graz F 2 F2 F 2 4 4 4 Ein Flaschenzug als Spannvorrichtung F2 4 F2 Die Zugkraft F2 verteilt sich gleichmäßig auf vier Seilstücke. Das Wellrad Wolfbauer Michael, Graz Auch das Wellrad gehört zu den Hebeln. Es besteht aus einem großen Rad und einer Welle, die starr mit dem Rad verbunden ist. Welle und Rad haben eine gemein­ same Achse. Daraus ergeben sich verschieden große Kraftarme. Wiederum gilt: Die Kraftersparnis ist umso größer, je größer das Längenverhältnis zwischen den beiden Kraftarmen ist. Lenkräder, Handräder und auch Kurbeln sind Wellräder mit Kraftersparnis. Kreissägen, Fräser und Schleifscheiben werden über die dünne Welle angetrieben, der Nutzen liegt im Geschwindig­ keitsgewinn. Wellräder sind ungleicharmige, zweiseitige Hebel. r R Wolfbauer Michael, Graz F1 F2 Verhältnis der Kräfte an einem Wellrad Die Kreissäge ist ein Wellrad mit Geschwindigkeitsgewinn. Arbeit sparen – ein Wunschtraum! Du hast jetzt einige Maschinen ken­ nengelernt, die alle mit dem Hebel zu tun haben. Du kannst damit Kräf­ te umlenken, teilweise sogar Kraft sparen oder Geschwindigkeit ge­ winnen, jedoch nicht Arbeit sparen. Kraftersparnis wird stets mit ent­ sprechend größerem Kraftweg „be­ straft“. Die Formel für die mechani­ sche Arbeit gibt uns die Bestätigung: Arbeit = Kraft · Weg Das Produkt aus Kraft und Weg muss für eine bestimmte Arbeit stets gleich bleiben. 38 06945_Buch.indb 38 16.01.14 09:03 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 18 N2 E a) Welche Kraft ist bei diesem Flaschenzug notwendig, um eine Betonplatte mit 120 kg Masse im Gleichgewicht zu halten? Wolfbauer Michael, Graz b) Welcher Kraftweg ist erforderlich, um damit die Last 1 m hochzuheben? c) Warum ist es wenig sinnvoll, Flaschenzüge mit z. B. 10 losen Rollen zu bauen? Dieser Flaschenzug besteht aus drei losen und drei festen Rollen. Es gibt demnach sechs tragende Seilstücke. Wie groß ist also die Kraftersparnis? 19 N2 20 S Jedes Fahrrad weist zwei Wellräder auf. Entscheide, ob Kraftersparnis oder Geschwindigkeitsgewinn vorliegt! N2 S Die Spannvorrichtung des Fahrdrahtes der ÖBB ist ein Wellrad. r R Das Tretrad ermöglicht , weil 4 000 N Das Hinterrad ermöglicht , weil Welche Kraftwirkung übt das Gewicht auf den Fahr- Sprich über die Gangschaltung deines Fahrrades! draht aus? 21 N2 S Hans und Christine sind gleich schwer. Sie haben gleiche Fahrräder. Hans schafft bei einem Radausflug eine Steigung im 2. Gang, Christine muss in den 1. Gang schalten. Wer hat die größere Arbeit verrichtet? 39 06945_Buch.indb 39 16.01.14 09:03 Mechanik in Physik und Alltag Vom Schwerpunkt Wir haben gelernt, dass die Brett­ schaukel ein Hebel ist, der mit einer Drehachse den Körper so unter­ stützt, dass er im Gleichgewicht ist. Es genügt sogar ein bestimmter Punkt der Drehachse zur Unterstüt­ zung. Das gesamte Gewicht des Körpers scheint in diesem Punkt anzugreifen. Man nennt diesen Punkt deshalb Schwerpunkt. Die Stoffteilchen eines Körpers haben Gewichtskraft und Abstand zum Schwerpunkt. Sie üben somit alle eine Hebelwirkung aus. Die Hebel­ wirkungen der Stoffteilchen heben dabei einander auf. Wolfbauer Michael, Graz S Unterstütze zuerst mit größerem Abstand den Besenstiel ... ... bewege dann deine beiden Hände aufeinander zu, bis sie einander berühren. Der Schwerpunkt liegt nun direkt über deinen Zeigefingern. Wolfbauer Michael, Graz Bei aufgehängten Körpern liegt der Schwerpunkt lotrecht unter dem Aufhängepunkt. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Das Tablett wird nur von der Handfläche gestützt. Durch Probieren findest du den Punkt genau unter dem Schwerpunkt des Buches. Es ist somit im Gleichgewicht. Große Standfestigkeit durch niedere Schwerpunktslage ... ... großes Gewicht ... Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Die Lage des Schwerpunktes ist wichtig für die Standfestigkeit ... und große Standflächen. Die rote Linie zeigt dir die tatsächliche Standfläche des Stativs. 40 06945_Buch.indb 40 16.01.14 09:03 mEchANik iN Physik uND AlltAG Übungen 22 N2 E Körper kippen unterschiedlich leicht. Stelle die Ursachen fest! Du brauchst: eine Zündholzschachtel, Plastilin Die Standfestigkeit ist abhängig von: 23 N2 Die Standfestigkeit ist abhängig von: Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Gehe wie auf den Fotos abgebildet vor und finde heraus, wovon die Standfestigkeit abhängt! Die Standfestigkeit ist abhängig von: E Überlege, wodurch du deine eigene Standfestigkeit verbessern kannst! 24 N2 25 E N2 E Wodurch erhöhen Kranwagen vor dem Ausfahren des Auslegers ihre Standfestigkeit? Ein Pkw kippt nicht so leicht wie ein Traktor. Begründe! 26 N2 S Eine hochkant gestellte Zündholzschachtel ist nach einer Richtung standfester als im rechten Winkel dazu. Betrachte die Zeichnung und begründe! F h F S S s h s Die Standfestigkeit ist größer, weil 27 N2 E Begründe die Eigenschaften eines Stehaufmännchens! Kappe abschneiden ... eine Kerze Zündhölzer ... zu 1/3 mit Wachs füllen ... Wolfbauer Michael, Graz Klebstoff ein Tapetenmesser Wolfbauer Michael, Graz einen Tischtennisball eine kleine Wattekugel Wolfbauer Michael, Graz Du brauchst: ... die Wattekugel ankleben! 41 06945_Buch.indb 41 16.01.14 09:03 mEchANik iN Physik uND AlltAG K N O B E L I X 1 N2 E Markiere jenen Punkt der Türklinke, an dem die Wirkung deiner Kraft am meisten verstärkt wird! Begründe! 2 N2 3 S N2 S Entscheide: Entscheide: Mit einer festen Rolle kann man ... Mit einer losen Rolle kann man ... m m m m m 4 m m m m ... Kraft sparen. ... keine Kraft sparen. ... Arbeit sparen. ... die Kraftrichtung ändern. ... Kraft sparen. ... keine Kraft sparen. ... Arbeit sparen. ... keine Arbeit sparen. ... keine Arbeit sparen. N2 E Ermittle bei folgenden festen und losen Rollen die fehlenden Werte! Kreuze an! F1 = F1 = 5 N F2 = s1 = 1m s2 Mit der festen Rolle kann man Mit der losen Rolle kann man 5 N2 m m Arbeit Arbeit = m m F2 = 10 N s1 = s2 = 1m keine Arbeit sparen, weil keine Arbeit sparen, weil E Die Physikerin, der Physiker unterscheidet zwischen drei Arten von Gleichgewicht. Wie verändert sich die Lage des Schwer­ punktes beim Bewegen dieses Körpers? Stabiles Gleichgewicht Labiles Gleichgewicht Indifferentes Gleichgewicht Stabiles Gleichgewicht: Labiles Gleichgewicht: Indifferentes Gleichgewicht: 42 06945_Buch.indb 42 16.01.14 09:03 mEchANik iN Physik uND AlltAG K N O B E L I X 6 N2 E Bei welchem dieser gleich schweren Körper ist die größere Kipparbeit nötig? Erinnere dich an die Formel zur Berechnung der Arbeit und begründe! F h F S S s h s Kurz zusammengefasst ‘ 10 dag wirken mit 1 Newton kraft auf eine waagrecht uND ruhig gehaltene handfläche. ‘ Physikalische Arbeit wird verrichtet, wenn eine kraft entlang eines Weges wirkt. kraft und Weg sind in Bezug auf die physikalische Arbeit gleichwertig. ‘ Physikalische Arbeit lässt sich mit der Formel Arbeit = kraft · Weg berechnen. Einheit der physikalischen Arbeit: 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Joule (J) ‘ Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Formen der mechanischen Energie: lageenergie und Bewegungsenergie Andere Energieformen: Wärmeenergie, elektrische Energie, chemische Energie, strahlungsenergie, kernenergie Energiearten lassen sich ineinander umwandeln. ‘ Ein hebel ist ein starrer körper, der um eine Achse drehbar ist. hebelarten: einseitiger und zweiseitiger hebel mit dem hebel erzielt man kraftersparnis, wenn man ihn am längeren kraftarm betätigt. ‘ mit dem hebel erzielt man Geschwindigkeitsgewinn, wenn man ihn am kürzeren kraftarm betätigt. hebelgesetz: Ein hebel ist im Gleichgewicht, wenn sich die kraftwirkungen aufheben. Die seilrollen gehören zu den hebeln. mit der festen rolle kann man nur die kraftrichtung ändern, mit der losen rolle jedoch kraft sparen. ‘ Ein Flaschenzug besteht aus festen und losen rollen. Die Zugkraft F2 (last) verteilt sich gleichmäßig auf alle tragenden seilstücke. Wellräder können wie hebel zur kraftersparnis oder zum Geschwindigkeitsgewinn eingesetzt werden. Arbeit kann nicht gespart werden, weil bei Verringerung des kraftaufwandes der kraftweg länger wird. ‘ Jeder körper hat einen schwerpunkt, in dem das körpergewicht anzugreifen scheint. Ein beweglicher körper ist im Gleichgewicht, wenn er im schwerpunkt oder in einem Punkt lotrecht darunter oder darüber unterstützt wird. Die standfestigkeit eines körpers hängt von der lage des schwerpunktes, vom Gewicht und von der Größe der standfläche ab. 43 06945_Buch.indb 43 16.01.14 09:03 Mechanik in Physik und Alltag Lexikon Arbeit, die; physikalischer Begriff für den Vorgang, bei dem ein Körper unter Kraftaufwand eine Wegstrecke zurücklegt. Formel: Arbeit = Kraft · Weg W=F·s W sind Einheiten für die Arbeit Joule (J) und Newtonmeter (Nm). 1 Nm = 1 J 1 J Arbeit hat man verrichtet, wenn man einen Körper von 1 N Gewicht (entspricht etwa einem Massenstück von 10 dag) 1 m hoch hebt. Die Zeit spielt dabei keine Rolle. Größere Einheiten: 1 kJ (= 1 000 J), 1 MJ (= 1 000 000 J). Man unterscheidet zwischen Hub­ arbeit, Verformungsarbeit, Beschleu­ nigungsarbeit und Reibungsarbeit. Beschleunigungskraft, die; wird an einem gezogenen, geschobenen oder gehobenen Körper verrichtet, wenn er dabei schneller wird. Drehmoment, das; Bezeichnung für die Drehwirkung, die sich aus einer Kraft und dem Normalabstand der Wirkungslinie dieser Kraft von der Drehachse ergibt. Die Berechnung erfolgt durch Multiplizieren der bei­ den Werte. Stark vereinfacht kann gesagt werden: Drehmoment = Kraft · Kraftarm Erhaltung der Energie; physikali­ scher Grundsatz, der besagt, dass Energie weder aus dem Nichts er­ zeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann (H. v. Helmholtz, 19. Jh.). Sogenannte Energieverluste sind nicht nutzbare Energieanteile bei Energieumwand­ lungen. Gleichgewicht, das; Ruhezustand beweglicher Körper, in dem die Summe der Drehmomente aller Stoffteilchen gleich null ist. Man unterscheidet folgende Arten des Gleichgewichtes: stabil, labil, indifferent. Hebelgesetz, das; durch Versuch nachweisbare mathematische Gesetzmäßigkeit an jedem Hebel: „Am Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn das Produkt aus Kraft und Kraftarm gleich ist dem Produkt aus Last und Lastarm.“ Oder: „Am Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn die Summe der Drehmomente gleich null ist.“ Beachte: Das Hebelgesetz bezieht sich nur auf den Ruhe­ zustand im Gleichgewicht. Hebelwaagen, die; Waagen, die auf Grund des Hebelgesetzes einfache Massenvergleiche ermöglichen. Balken­waage, Dezimalwaage und Brückenwaage sind Hebelwaagen. Hubarbeit, die; wird dann verrichtet, wenn ein Körper in eine höhere Lage gebracht wird. indifferent (lat.; „gleichgültig“); Zustand des Gleichgewichtes, bei dem sich die Höhenlage des Schwer­ punktes durch Anstoßen des Körpers nicht ändert (Kugel). Kernenergie, die; Energieform, von der sich die Menschheit die Lösung ihrer Energieprobleme erwartet hat. Im Kernkraftwerk wird Kernenergie in elektrische Energie umgewandelt. Seit den bisher größten Reaktor­ unfällen (UdSSR 1986; Japan 2011) gibt es starke Bedenken auch gegen die friedliche Nutzung der Kern­ energie. Kinetische Energie, die; fremd­ sprachlicher Ausdruck für Bewe­ gungsenergie. Kippkante, die; Achse, um die ein Körper beim Kippen gedreht wird. Zum Kippen ist ein Kippmoment erforderlich. Kippmoment, das; ist ein Dreh­ moment, das zum Kippen von Körpern im stabilen Gleichgewicht erforderlich ist. labil (lat.; „schwankend“); Zustand des Gleichgewichtes, bei dem der Schwerpunkt seine höchstmögliche Lage eingenommen hat („balancie­ ren“). Jede Kippbewegung bewirkt ein Absenken des Schwerpunktes. Der Körper kippt. Last, die; häufige Bezeichnung für Gewichtskräfte an Hebeln und Rol­ len. In der Physik unterscheidet man absichtlich nicht zwischen „Kraft“ und „Last“. Sie erhalten daher die Bezeichnung F1, F2 … Maschine, die; im einfachsten Fall eine Vorrichtung zur Umlenkung oder Übertragung von Kräften (Rolle, Seil, Stange), aber auch zur Umwand­ lung von Kräften zum Zweck der Arbeitserleichterung (Hebel …). potenzielle Energie, die; fremd­ sprachlicher Ausdruck für Lage­ energie. Auch Druckluft und gespannte Federn haben potenzielle Energie. Reibungsarbeit, die; Produkt aus der Reibungskraft und der Weglänge, entlang der sie wirkt. Die Reibungs­ arbeit ist eine unerwünschte Begleiterscheinung aller Maschinen. Schwerpunkt, der; Punkt, in dem die Gewichtskraft eines Körpers anzugreifen scheint. Auf den Schwerpunkt bezogen ist die Summe der Drehmomente aller Stoffteilchen gleich null. Körper, die im Schwerpunkt oder einem Punkt der Lotrechten durch den Schwerpunkt unterstützt werden, befinden sich im Gleichgewicht. stabil (lat.; „beständig“); Zustand des Gleichgewichtes, bei dem der Schwerpunkt seine tiefstmögliche Lage eingenommen hat. Jede Kipp­ bewegung bewirkt ein Anheben des Schwerpunktes. Strahlungsenergie, die; ist jene Energieform, mit der die Sonne uns ihre Energie „spendet“. Sichtbares Licht, UV-Licht, Wärme … sind Formen von Strahlungsenergie. Verformungsarbeit, die; kommt zustande, wenn auf ruhende oder bewegte Körper große Kräfte ein­ wirken. Beim Torabstoß wird der noch ruhende Ball stark verformt, beim Volleyschuss der bewegte. Beim Schmieden bewirkt die Verformungsarbeit die Form des Werkstückes. Ein trauriges Beispiel für Verformungsarbeit sind Auto­ wracks nach Zusammenstößen. 44 06945_Buch.indb 44 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich ... sehr unterschiedlich Das „Raumschiff Erde“ bewegt sich rasend schnell durch das Weltall, obwohl wir nichts davon spüren. Ein Fahrradcomputer zeigt die Momentangeschwindigkeit an. Auf Knopfdruck erfährt man auch die Länge der Wegstrecke und die dafür benötigte Fahrzeit. Daraus ergibt sich die Durchschnittsgeschwindigkeit. Manche Lebewesen können sich nur ganz langsam bewegen. Die Beschleunigung der Fahrzeuge ist beim Start des Rennens besonders hoch. MEV Verlag/U.S. Dept. of the Interior Geological Survey; Fotolia.com/MP2; MEV Verlag/Succes'S Inc.; MEV Verlag/Eggstein; Glowimages/mirafoto; MEV Verlag/Gill Beim Sprint kommt es zuerst auf eine möglichst hohe Beschleunigung an. Die Läuferinnen und Läufer versuchen dann, ihr maximales Tempo bis ins Ziel zu halten. 45 06945_Buch.indb 45 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich Der Ritt auf der Kanonenkugel Wir belagerten eine Stadt. Marschall Münnich hätte gerne ge­wusst, wie es in der Festung stünde. Aber es war unmöglich, durch all die Vorposten hineinzugelangen. meine Bedenken. Hinein kommst du leicht, dachte ich, aber wie kommst du wieder heraus? Man wird dich an deiner Uniform als Feind erkennen und an den nächsten Galgen hängen! Diese Überlegungen machten mir sehr zu schaffen. Und als eine türkische Kanonenkugel mir entgegenflog, schwang ich mich auf sie hinüber und kam gesund und munter wieder bei meinen Husaren an. Vor lauter Übermut und Diensteifer stellte ich mich neben eine unserer größten Kanonen. Als sie wieder abgefeuert wurde, sprang ich im Hui auf die herauszischende Kugel! Ich wollte mitsamt der Kugel in die Festung hineinfliegen. Während des sausenden Fluges wuchsen allerdings (Nach: „Münchhausen“, nacherzählt von Erich Kästner) Ruhe und Bewegung zugleich? „Ein Körper ist in Bewegung, wenn er seinen Ort in Bezug auf seine Umgebung ändert.“ Das klingt ein­ leuchtend. Denken wir aber ein bisschen darüber nach. Du liegst M E im Bett und schläfst. Ein Bild der Ruhe. Zum Bett, zum Zimmer, zum Haus und zur Erde befindest du dich in Ruhe. Die Erde selbst aber dreht sich und ist auf der Reise T E R durch das Weltall. Also bewegst du dich doch! Deswegen hat man sich geeinigt, mit „Umgebung“ nur die unmittelbare Umgebung zu meinen. 300 Weg s (km) 250 5m 5m 5m 200 180 150 100 50 0 S E K U N D E N Zeit t 1 2 3 4 in h Zeit-Weg-Diagramm einer gleichförmigen Bewegung Gleichförmige Bewegung: In gleichen Zeitabständen werden gleiche Strecken zurückgelegt. Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung Für den Begriff Bewegung sind zwei Größen maßgeblich: der Weg (s), der vom Körper zurück­ gelegt wird, und die Zeit (t), die dabei vergeht. Bewegungen nur mit dem Weg oder nur mit der Zeit zu beschreiben ist nicht möglich und auch sinnlos. Für die Angabe von Weg und Zeit hat man sich geeinigt, normaler­ weise folgende „Pärchen“ von Maßeinheiten zu verwenden: Kilo­ meter (km) – Stunde (h); Meter (m) – Sekunde (s). Die Physikerin, der Physiker unter­ scheidet nun zwischen der gleich­ förmigen und der ungleichförmi­ gen Bewegung: Eine Bewegung ist dann gleich­ förmig, wenn in gleichen Zeit­ abschnitten gleiche Wege geradlinig zurückgelegt werden. Beispiel: Bei einem Radrennen rollt das Hauptfeld auf einer geraden ebenen Straße gleichmäßig dahin und legt dabei in jeder Sekunde 13 m zurück. 46 06945_Buch.indb 46 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich Übungen 1 N2 E Führe diesen Versuch nur auf einer nicht öffentlichen Verkehrsfläche (z. B. Schulhof ) durch! Eine Schülerin, ein Schüler fährt mit dem Fahrrad über eine längere Strecke möglichst schnell. Stelle entlang der Messstrecke alle 5 m jemanden mit einer Stoppuhr auf! Trage vorerst nur den Weg und die Gesamtzeit ein! weg gesamtzeit Zeit zwischen den Messpunkten geschwin­ digkeit Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 5 Messpunkt 6 Um welche Art von Bewegung handelt es sich? 2 N2 E Notiere die Messwerte im Protokoll, wenn eine Mitschülerin, ein Mitschüler nun versucht, auf der selben Strecke immer schneller zu werden! weg gesamtzeit Zeit zwischen den Messpunkten geschwin­ digkeit Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 5 Messpunkt 6 Um welche Art von Bewegung handelt es sich nun? 47 06945_Buch.indb 47 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich Die Geschwindigkeit ist das Maß für die Bewegung M Weg E T 10 m E 10 m 5m 5m R 30 m 20 m 10 m 1s 2s 3s 4s Zeit S E K U N D E N Gleichförmige Bewegung: In gleichen Zeitabständen werden gleiche Strecken zurückgelegt. Zeit-Weg-Diagramm einer ungleichförmigen Bewegung Eine Bewegung ist ungleich­ förmig, wenn in gleichen Zeit­ abschnitten verschieden lange Wege zurückgelegt werden. Die meisten Bewegungen verlaufen ungleichförmig. Beispiel: Ein Bus fährt von der Haltestelle weg und wird dabei schneller. In gleichen Zeitabschnitten legt er dabei immer längere Wege zurück. Die nächste Haltestelle ist bereits in Sicht, der Busfahrer bremst sein Fahrzeug langsam ab: In gleichen Zeitabständen legt der Bus immer kürzere Strecken zurück, bis er zum Stillstand kommt. Für das Schneller- und das Lang­ samerwerden eines bewegten Körpers gibt es eigene Fachaus­ drücke: Beschleunigung und Verzögerung. Mithilfe der Geschwindigkeit lassen sich Bewegungen sehr gut beschreiben und vergleichen. Betrachten wir zuerst eine gleich­ förmige Bewegung: Eine Radfahrerin legt in jeder Sekunde 5 m zurück. Man sagt: Die Geschwindigkeit der Rad­ fahrerin beträgt 5 Meter (m) pro Sekunde (s). Im Alltag wird die Geschwindigkeit in Kilometer pro Stunde (km / h) angegeben. Die Umrechnung ist gar nicht schwer: Man schreibt: v = 18 km / h Die Maßeinheiten für Geschwindigkeit sind also m / s oder km / h 1 s ……………………….. 5 m Für die Umrechnung gilt: m / s in km / h: Wert mal 3,6; km / h in m / s: Wert durch 3,6. 3 600 s (= 1 h) ……..… 5 m · 3 600 18 000 m 18 000 m = 18 km Die Geschwindigkeit der Rad­ fahrerin beträgt 18 Kilometer pro Stunde. Fürnstahl Horst, Graz Fotolia.com/Zeljko Radojko * engl. velocity = Geschwindigkeit Berechne nun auf Seite 47 einige Geschwindigkeitswerte! Wolfbauer Michael, Graz Man schreibt: v* = 5 m / s die Geschwindigkeitsmessungen zu Lande mit dem Tachometer ... ... zu Wasser mit dem Log ... ... von Wind mit dem Anemometer. Bei der ungleichförmigen Bewe­ gung muss man bei der Angabe der Geschwindigkeit zu einem Trick greifen, weil die Geschwindigkeit sich ständig ändert. Man ermittelt die Durchschnitts­geschwindigkeit für die gesamte Strecke. Die (durchschnittliche) Geschwin­ digkeit des Pkw beträgt 60 km / h. Man braucht also beim Berechnen der Geschwindigkeit v nur den Weg s durch die Zeit t zu dividieren. Daraus ergibt sich die Formel v = s / t. Beschleunigung bedeutet Ge­ schwindigkeitszunahme, Ver­ zögerung Geschwindigkeits­ abnahme. Beispiel: Ein Pkw legt eine Strecke von 180 km in 3 Stunden ungleich­ förmig zurück. 3 h …… 180 km 1 h …… 180 km : 3 = 60 km Jetzt, da wir den Begriff der Geschwindigkeit kennen, können wir besser über Beschleunigung und Verzögerung sprechen: Die Physikerin, der Physiker unter­ scheidet allerdings nicht zwischen Beschleunigung und Verzögerung, da nur die Kraftrichtung eine andere ist. Für sie bzw. ihn ist Ver­ zögerung (negative) Beschleuni­ gung. 48 06945_Buch.indb 48 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich Übungen 3 N2 E Im Ortsgebiet sind 50 km / h, auf Freilandstraßen 100 km / h und auf Autobahnen 130 km / h Höchst­ geschwindigkeit zulässig. a) Rechne diese Geschwindigkeitswerte in m / s um! b) Messt im Schulhof die Strecken aus, die Fahrzeuge mit 50 km / h, 100 km / h und 130 km / h in einer Sekunde zurücklegen! c) Besprecht, was das Einhalten der vorgeschriebenen Geschwindigkeiten für die Verkehrssicherheit bedeutet! 4 N2 E Der Erdumfang beträgt am Äquator rund 40 000 km. Mit welcher Geschwindigkeit machen Menschen am Äquator die Erddrehung mit? 5 N2 E 6 N2 E m Die Geschwindigkeit ist ein Maß für die Beschleunigung. m Die Geschwindigkeit ist ein Maß für die Bewegung. m Die Geschwindigkeit wird in m / s oder km / h angegeben. m Die Geschwindigkeit wird in Stundenkilo­ metern angegeben. m m Die Geschwindigkeit wird in km angegeben. 7 Die Geschwindigkeit liest man am Tacho­ meter ab. N2 Wolfbauer Michael, Graz Entscheide! Da stimmt doch etwas nicht! S Ein Pkw nähert sich mit 50 km / h einem Fußgängerübergang. Solltest du den Übergang noch betreten, wenn das Fahrzeug rund 25 m entfernt ist? Begründe! 8 N2 E Ergänze nun die fehlenden Werte in den Tabellen der Aufgaben 1 und 2 auf Seite 47! Rechne auf einem Blatt Papier! 49 06945_Buch.indb 49 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich K N O B E L I X 1 N2 S Bei einem Abfahrtsrennen wurden für die ersten beiden Läufer folgende Durchschnittsgeschwindigkeiten ermittelt: Erster: 96 km / h Zweiter: 95 km / h Wie viele Meter betrug der Vorsprung des Führenden, wenn die Rennstrecke 2 250 m lang war? 2 N2 W Beim Absprung ... 3 N2 Okapia KG PIX/Irwin Contrast/Allover/Trost Welche Bewegungsart führt der Fallschirmspringer jeweils aus? ... im „Freifall“ ... ... beim Öffnen des Fallschirms ... W Ein Schiff fährt mit 15 Knoten Geschwindigkeit. Wie viel km / h bzw. m / s sind das? 4 N2 S Licht breitet sich in der Luft mit rund 300 000 km / s aus. Rechne in km / h um! 50 06945_Buch.indb 50 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich K N O B E L I X 5 N2 S Kreuze die richtigen Sätze an! m Je länger die Wegstrecke ist, die ein Radfahrer pro Sekunde zurücklegt, desto kleiner ist die Geschwindigkeit. m Je kürzer die Wegstrecke ist, die ein Radfahrer pro Sekunde zurücklegt, desto kleiner ist die Geschwindigkeit. m Je kürzer die Wegstrecke ist, die ein Radfahrer pro Sekunde zurücklegt, desto größer ist die Geschwindigkeit. m m m m Die Geschwindigkeit ist umso größer, je weniger Zeit der Radfahrer für die Messstrecke benötigt. Die Geschwindigkeit ist umso kleiner, je weniger Zeit der Radfahrer für die Messstrecke benötigt. Die Geschwindigkeit ist umso größer, je mehr Zeit der Radfahrer für die Messstrecke benötigt. Die Geschwindigkeit ist umso kleiner, je mehr Zeit der Radfahrer für die Messstrecke benötigt. 6 N2 S Welche Geschwindigkeitsangaben sind anschaulicher? Jene in m / s oder jene in km / h? Begründe! Kurz zusammengefasst ‘ ein Körper befindet sich in bewegung, wenn er seinen Ort in bezug auf seine Umgebung ändert. bewegung von Körpern beschreibt man mit den größen „weg“ und „Zeit“. es gibt gleichförmige und ungleichförmige bewegungen. bei der gleichförmigen bewegung legt ein Körper in gleichen Zeitabschnitten gleiche wege geradlinig zurück. ‘ bei der ungleichförmigen bewegung legt ein Körper in gleichen Zeitabschnitten verschieden lange wege zurück. Die geschwindigkeit ist das Maß für die bewegung. Die geschwindigkeit wird in Meter pro sekunde (m / s) oder in Kilometer pro stunde (km / h) angegeben. beschleunigung bedeutet geschwindigkeitszunahme, Verzögerung bedeutet geschwindigkeits­ abnahme. 51 06945_Buch.indb 51 16.01.14 09:03 Körper bewegen sich Lexikon Geschwindigkeit, die; Maß für die Bewegung. Größenzeichen v (engl. velocity = Geschwindigkeit). Die Geschwindigkeit gibt die Länge des We­ges an, die pro Zeiteinheit zurück­ gelegt wird. Man unterscheidet zwischen Momentangeschwindig­ keit (Messung) und Durchschnitts­ geschwindigkeit (Berechnung). Die Momentangeschwindigkeit wird im Auto mit dem Tachometer, beim Schiff mit dem Log gemessen. Die Windgeschwindigkeit misst man mit dem Anemometer. Geschwindigkeitsangaben erfolgen in m / s und in km / h, zur See in Knoten. Anemometer, der (auch: das); Messgerät zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in Wetter­ stationen, bei Skischanzen und Flughäfen. Die Anzeige erfolgt in m / s, km / h oder in Windstärken (siehe auch unter Geschwindigkeit). Beschleunigung, die; Geschwindig­ keitszunahme in der Zeiteinheit. Die Bewegung eines Körpers wird dabei schneller. Die Verzögerung ist das Gegenteil der Beschleunigung. Durchschnittsgeschwindigkeit, die; wird nach der Formel s (engl., space = Weg) v* = t (engl., time = Zeit) Knoten, der; ist die Maßeinheit der Geschwindigkeit zu Wasser. 1 Knoten = 1 Seemeile pro Stunde; 1 Seemeile = 1,852 km. 1 Seemeile berechnet. (Siehe auch unter Geschwindigkeit.) * engl. velocity = Geschwindigkeit Geschwindigkeitswerte Schnecke Fluss Fußgängerin, Fußgänger Fliege Läuferin, Läufer Rennpferd Hase Orkan Schnellzug Pkw Verkehrsflugzeug Erde auf der Umlaufbahn m / s 0,0015 1 1,4 5 6,5 16 18 30 36 50 220 30 000 km / h 0,0054 3,6 5 18 23 58 65 108 130 180 ca. 800 108 000 entspricht einer Winkelminute des Gradnetzes der Erde. Der Erdumfang zu Wasser beträgt daher 360 · 60 = 21 600 Seemeilen. Log, das; Messgerät zur Bestimmung der Momentangeschwindigkeit bei Wasserfahrzeugen. Das Log wird durch einen kleinen Propeller, der in das Wasser ragt, angetrieben. Die Anzeige erfolgt in Knoten. Altertüm­ liche Geräte bestehen aus einer Schnur, die in bestimmten Abstän­ den Knoten aufweist, und aus einem Brettchen. Zur Messung wird das Brettchen ins Wasser geworfen. Die Anzahl der Knoten, die in einer be­ stimmten Zeit durch die Hand läuft, ist das Maß für die Ge­schwindigkeit. Momentangeschwindigkeit, die; kann man nur indirekt mit Mess­ geräten bestimmen: Tachometer, Log und Schalenkreuzanemometer sind solche Messgeräte. (Siehe auch unter Geschwindigkeit.) Tachometer, der (auch: das); dient zur Bestimmung der Momentange­ zeugen. schwindigkeit bei Kraftfahr­ (Die Anzeige erfolgt in km / h.) Weg Verzögerung, die; Geschwin­ digkeitsabnah­ me in der Zeit­ einheit. 10 m 8m 6m 4m 2m 0 0 1s Wolfbauer Michael, Graz Windstärke, die; Maß Geschwindigkeit von angegeben in Beaufort. Viele Kraftfahrzeuge müssen einen Fahrtenschreiber eingebaut haben, so z. B. Lkw und Autobusse. Der Fahrtenschreiber zeichnet auf einem kreisrunden Blatt alle Fahr- und Ruhezeiten und auch die Geschwindigkeit während 24 Stunden auf. Es muss also jeden Tag ein neues Blatt eingelegt werden. Hier siehst du einen kleinen Ausschnitt eines Fahrtenschreiberblattes. Windstärke 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12–17 2s 3s 4s Verzögerte Bewegung: bremsender Pkw Bezeichnung der Windstärke Stille leiser Zug leichte Brise schwache Brise mäßige Brise frische Brise starker Wind steifer Wind stürmischer Wind Sturm schwerer Sturm orkanartiger Sturm Orkan für die Winden; m / s bis 0,2 0,3–1,5 1,5–3,3 3,4–5,4 5,5–7,9 8,0–10,7 10,8–13,8 13,9–17,1 17,2–20,7 20,8–24,4 24,5–28,4 28,5–32,6 32,7–56,0 52 06945_Buch.indb 52 16.01.14 09:03 Alle Körper sind träge ... sie haben Masse Von der Masse eines Körpers hängt es ab, mit welcher Kraft er von der Erde angezogen wird. Auf das 100-g-Massestück wirkt eine Anziehungskraft von 1 Newton (1 N). Beide Körper haben die gleiche Masse, aber verschiedenes Volumen. Auf jeden Kubikzentimeter entfällt ein bestimmter Anteil der Masse. Diesen Anteil bezeichnet man als Dichte. Obendrauf Viktor, Gnas Im Straßenverkehr, besonders bei Verkehrsunfällen, treten große Trägheitskräfte auf. 53 06945_Buch.indb 53 16.01.14 09:03 Alle Körper sind träge Der Fels des Polyphem Gestern war das Filmteam abgereist. Vier Wochen lang hatte es „Die Abenteuer des Odysseus” verfilmt und damit den kleinen Ort in Atem gehalten. Für die Kinder brachten die Dreharbeiten eine willkommene Abwechslung in ihre Schulferien. In jeder freien Minute beobachteten sie das Geschehen am nahen See. Der Interessierteste von ihnen war Philipp. Er kannte alle Schauspieler, las alle Berichte über die Dreharbeiten und war immer zur Stelle, wenn jemand gebraucht wurde. Sein Lieblingsschauspieler hieß Bud Springer. Er spielte den Helden Odysseus, der auf seiner Heimfahrt von Troja viele Abenteuer bestehen musste. In einer Szene warf der von Odysseus geblendete Riese Polyphem einen gewaltigen Felsblock gegen das Schiff der fliehenden Griechen und verfehlte es nur knapp. Diesen Felsen entdeckte Philipp am Ufer, als er dort spazieren ging. Er ging darauf zu und stemmte sich mit aller Kraft dagegen. Doch was musste er feststellen? Er schien ebensolche Kräfte wie Polyphem zu besitzen, weil er den Stein ohne Mühe in den See rollen konnte! Als Philipp den „Felsen” dann auf dem Wasser schwimmen sah, ging ihm ein Licht auf. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Körper sind träge Die Körper sind verschieden träge – sie haben verschiedene Massen. Beim ruckartigen Ziehen widersetzt sich der Körper der Beschleunigung. Verschiedene Massen des Alltags Stell dir vor, man würde mit einem Medizinball Fußball spielen. Du kannst dir denken, wie es da auf dem Fußballplatz zuginge! Ein Medizinball hat nicht nur mehr Gewichtskraft als ein Fußball, er ist auch viel schwerer in Bewegung zu setzen oder abzubremsen. Dieser Widerstand gegen eine Be­ schleunigung oder Verzögerung wird Trägheit genannt. Ein Körper, der in Ruhe ist, will in Ruhe bleiben. Bewegt sich ein Körper, möchte er die Bewegung beibehalten. • Beim Abschleppen eines Autos kann das Abschleppseil reißen, wenn zu rasch angefahren wird. • Die Insassen eines Autos werden beim Bremsen nach vorne geworfen. • Wenn der Stiel einer Axt nicht gut sitzt, stößt man ihn mehrmals kräftig gegen die Unterlage. • … Das Maß für die Trägheit eines Körpers wird als Masse bezeichnet. 54 06945_Buch.indb 54 16.01.14 09:03 ALLe Körper sinD Träge Übungen 1 N1 E Auf einem Holzbrett liegen drei gleich aussehende Kugeln aus Eisen, Holz und Schaumstoff. Wie kannst du ihre Masse unterscheiden, ohne sie aufzuheben? Du darfst sie berühren. 2 N1 E An der gleichen Schraubenfeder hängen verschiedene Körper. Bezeichne die größte Masse mit A, die zweitgrößte mit B und die kleinste mit C! größte Trägheit: kleinste Trägheit: größte Gewichtskraft: kleinste Gewichtskraft: Aus welchen Stoffen könnten die zwei anderen Körper bestehen, wenn der schwerste aus Blei ist? (Benütze den Lexikonteil!) 3 N2 S Ergänze und finde selbst Beispiele! kg a) b) c) dag g 1 200 5 000 d) e) f) g) 55 06945_Buch.indb 55 16.01.14 09:03 Alle Körper sind träge Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Masse und Gewichtskraft Körper mit gleicher Masse haben gleiche Gewichtskraft. Einige Körper mit der Masse 1 kg. Wenn wir zwei verschieden ­schwere Körper auf ihre Trägheit überprüfen, stellen wir fest, dass der trägere Körper immer auch der schwerere ist: Seine größere Masse wird von der Erde mit einer größeren Kraft angezogen. Der Waagebalken einer Balkenwaage neigt sich nach der Seite mit der größeren Masse, weil dort die Anziehungskraft größer ist. Der Waagebalken ist im Gleich­ gewicht, wenn beide Massen gleich groß sind und demnach gleiche Gewichtskraft haben. Die Einheit der Masse Um Massen miteinander verglei­ chen zu können, wurde als Einheit das Kilogramm (kg) festgelegt. Die Einheitsmasse von 1 kg entspricht der Masse von 1 dm3 Wasser (= 1 Liter) bei +4 °Celsius. Abgeleitete Masseneinheiten sind: 1 Tonne (1 t) = 1 000 kg 1 Gramm (1 g) = 0,001 kg 1 Milligramm (1 mg) = 0,000001 kg Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Körper mit verschiederer Masse haben verschiedene Gewichtskraft. Gleiche Massen mit unterschiedlichem Volumen Mit einem Messglas kann man das Volumen bestimmen. Das Messen von Massen Beim Bestimmen von Massen ver­ gleicht man die unbekannte Masse mit einer festgelegten („genorm­ ten“) Masseneinheit (t, kg, g, mg). Ein Körper, der sich gleich träge verhält wie z. B. 1 kg, hat auch die Masse von 1 kg. Ebenso haben zwei Körper gleiche Massen, wenn sie auf einer Balken­ waage im Gleichgewicht sind. Die Masse wird mit dem Kleinbuch­ staben m bezeichnet. Die mithilfe einer Waage bestimm­ te Masse eines Körpers nennen wir auch „Gewicht“. In der Physik wird streng zwischen Masse (Einheit: kg) und Gewichts­ kraft eines Körpers (= Anziehungs­ kraft der Erde; Einheit: Newton) unterschieden. Stoffe haben unterschiedliche Dichte. Oft wird gesagt, Eisen sei schwerer als Holz, Blei schwerer als Eisen. Diese Aussage stimmt nur dann, wenn gleich große Stücke mitein­ ander verglichen werden. Dabei hilft uns die Einheit „Dichte“. Sie gibt an, wie groß die Massen von Stoffen sind, wenn sie das gleiche Volumen haben. In der Fachsprache der Physik heißt das so: Das Verhältnis der Masse eines Körpers zu seinem Volumen bezeichnet man als seine Dichte. Dichte = Masse : Volumen 56 06945_Buch.indb 56 16.01.14 09:03 ALLe Körper sinD Träge Übungen 4 N2 E Die drei abgebildeten Kugeln haben die gleiche Masse. Kreuze den Körper mit der größten Dichte an! m 5 N2 m m E Ordne die cm3-Würfel verschiedener Stoffe von der größten zur kleinsten Masse! Glas 6 Kork N1 Blei Eisen Gold Holz E Lies den Flüssigkeitsstand in den verschiedenen Messgläsern ab! 15 cm 3 10 cm 3 5 7 N2 cm 3 cm 3 cm 3 20 50 cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 S Ergänze und finde selbst Beispiele! a) b) c) d) stoff Dichte in g / cm3 Volumen (cm3) Blei Platin Kork Schaumstoff 11,3 21,5 5 20 0,035 Masse 43 g 4,8 g 35 g e) f) 57 06945_Buch.indb 57 16.01.14 09:03 ALLe Körper sinD Träge K N O B E L I X 1 N2 E Der Tank eines Autos ist halb gefüllt. Zeichne die Bewegung des Treibstoffes beim Anfahren und beim Abbremsen! 2 N2 In Ruhe Beim Beschleunigen Beim Abbremsen S Berechne die Rauminhalte der aufgezeichneten Körper! V= V= 3m 1,5 cm 2 cm 4 cm 3 N2 S Wie groß ist das Volumen der in die Messgläser eingetauchten Gegenstände? 90 80 50 100 30 cm 3 V = N2 200 70 40 4 3m 3m 10 cm 3 V = cm 3 V = S Berechne die Masse des Silberbarrens! 1,5 cm ρ= g / cm3 V= cm3 m= 1,5 cm g 4 cm 5 N2 E Mit einem Medizinball kann man nicht Fußball spielen. Überlege: Lässt sich der Medizinball leichter bewegen, wenn er aufgehängt wird? Begründe deine Antwort! 58 06945_Buch.indb 58 16.01.14 09:03 ALLe Körper sinD Träge K N O B E L I X 6 N2 E Bestimme die Dichte! m = 43,2 g V= ρ= cm3 g / cm3 20 Um welchen Stoff handelt es sich? 7 N2 E Wenn du voraussetzt, dass die Dichte von Wasser 1 g / cm3 ist, kannst du eine Messflasche verwenden, um die Dichte einer unbekannten Flüssigkeit zu bestimmen. Die Zeichnung zeigt dir die drei Messungen, die du dabei vornehmen musst. Wasser ? a) Wie groß ist die Masse des Wassers? b) Wie groß ist das Fassungsvolumen der Flasche? c) Bestimme die Masse der unbekannten Flüssigkeit! d) Bestimme die Dichte der unbekannten Flüssigkeit! e) Welche Flüssigkeit hast du gefunden? Warum haben Flaschenhals und Verschluss sorgfältig geschliffene Glasflächen? Kurz zusammengefasst ‘ Die Masse eines Körpers ist ein Maß für seine Trägheit, sie bleibt von Ort zu Ort unverändert. Die Trägheit ist der widerstand eines Körpers gegen eine bewegungsänderung. Je größer die Trägheit, desto größer die Masse. ‘ Je größer die Masse, desto größer die gewichtskraft. Die einheit der Masse ist das Kilogramm (kg). Mit der balkenwaage kann die gleichheit von Massen festgestellt werden. Die Dichte (ρ) eines Körpers gibt an, wie groß die Masse von 1 m3 (1 dm3, 1 cm3) ist. einheiten der Dichte: kg / m3 (kg / dm3, g / cm3) Die Dichte ergibt sich, wenn man die Masse eines Körpers durch sein Volumen dividiert. 59 06945_Buch.indb 59 16.01.14 09:03 Alle Körper sind träge Lexikon trat für die damals neue Lehre ein, dass die Erde sich um die Sonne be­ wege, und geriet dadurch in spruch zur herrschenden Wider­ Ansicht, die Erde sei der Mittel­punkt des Weltalls. 1633 musste er schließlich vor einem kirchlichen Gericht seine richtige Auffassung widerrufen. Beispiel: Wie groß ist die Masse von 10 cm3 Blei? • Die Dichte von Blei ist 11,3 g / cm3. • Das Volumen beträgt 10 cm3. mBlei = ρ · V = 11,3 · 10 = 113 g Trägheitsgesetz, das; das 1609 von Galilei gefundene Trägheitsgesetz sagt: Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder geradlinig-gleich­ förmigen Bewegung, solange keine Kräfte auf ihn wirken. m Dichte: ρ = V __ Die Dichte einiger Stoffe in g / cm3: Schaumstoff0,035 Kork0,24 Holz0,4–1,3 Alkohol0,8 Gummi0,92 1,0 Wasser Milch1,028 menschl. Körper 1,04 Glyzerin1,26 Glas2,4–4,7 Aluminium2,7 Eisen7,86 Silber10,5 Blei11,3 Quecksilber13,5 Gold19,23 Platin21,5 Dichtebestimmung: • Mit der Balkenwaage bestimmt man die Masse. Beispiel: m = 16,2 g. • Durch Berechnen oder mit dem Messglas wird das Volumen ermit­ telt. Beispiel: V = 6 cm3. Wenn 6 cm3 16,2 g Masse haben, dann sind dies für 1 cm3: 16,2 g dividiert durch 6, Ergebnis: 2,7 g / cm3. Das ist die Dichte von Aluminium. Galilei, Galileo; bedeutender italie­ nischer Naturforscher, 1564–1642; be­gründete die moderne, auf Erfah­ rung und Experiment beruhende Physik. Durch Versuche am Schiefen Turm von Pisa erforschte er die Grundgesetze der Pendel- und Fall­ bewegungen. Er konstruierte 1609 ein Fernrohr und ent­deckte Mond­ Planeten berge, die Monde des ­ Jupiter und die Sonnenflecken. Er Volumen, das; Rauminhalt; das Volumen eines Quaders berechnet man nach der Formel: V = a · b · c c a Deutsches Museum, München Merkdreieck: Kilogramm (kg), das; Basiseinheit des internationalen Einheitensys­ tems (SI-Einheit) für die Basisgröße Masse; die Basis­einheit 1 Kilogramm ist die Masse des internationalen Kilogrammprototyps, eines aus Platin und Iridium bestehenden % Platin, 10 % Kreiszylinders (90 Iridium, 39 mm hoch, Ø 39 mm), der in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird. Masse, die; Eigenschaft eines Kör­ pers, Kräften, die seinen Bewegungs­ zustand ändern wollen, Widerstand zu leisten. Dieser Widerstand wird die Trägheit der Masse genannt (träge Masse). Jede Masse unterliegt auch dem Ein­ fluss der Gravitation (= Anziehung durch andere Massen) und gewinnt dadurch Schwere (schwere Masse). Die Masse eines Körpers ist ein Maß für seine Trägheit. Sie ist vom Ort unabhängig. b Waage, die; Gerät zur Gewichts­ bestimmung von Körpern. Bei der Balkenwaage wird die gesuchte Masse mit bekannten Massen (Massen­ normalen) verglichen. Bei der Federwaage wird eine geeichte Schraubenfeder durch eine Last ausgedehnt. Elektronische Waagen haben fast keine beweglichen Teile und sind praktisch wartungsfrei. In einer Druckdose tritt durch die Last eine Spannung auf, die der Größe der Last entspricht; diese Veränderung wird über eine elektronische Einrichtung auf eine Leuchtanzeige übertragen. Corbis/Creativ Studio Heinemann/Westend61 Dichte, die; Verhältnis der Masse eines Körpers zu seinem Rauminhalt (Volumen); Kurzzeichen: ρ (griech.; sprich: Ro). Die Dichte ist eine kennzeichnende Eigenschaft und hilft, Stoffe zu erkennen. Die Dichte eines Körpers ist der Quotient aus seiner Masse und seinem Volumen. Massebestimmung aus Dichte und Volumen: Masse = Dichte mal Volumen m = ρ ·V 60 06945_Buch.indb 60 16.01.14 09:03 Kräfte ... bewegen und verändern die Welt Der Satellit stürzte in den Ozean Colorado Springs. Die Erde hat ihn wieder – oder besser gesagt: das Wasser. Der außer Kontrolle geratene sowjetische Satellit Comos-1767 ist in der Nacht auf Sonntag abgestürzt. Der größte Teil des geheimnisumwobenen Satelliten verglühte beim Eintritt in die Erdatmosphäre. Trümmer, die der Hitze standhielten, stürzten in den Indischen Ozean. Die Schubkräfte der Raketenmotoren beschleunigen das Spaceshuttle. Sie wirken gegen die Erdanziehungskraft. Ein geriebener Luftballon lenkt durch elektrische Kräfte einen Wasserstrahl ab. Der Astronaut kann auf dem Mond viel mehr tragen als auf der Erde. Auf dem Mond sind alle Körper leichter. Jede Autofahrerin und jeder Autofahrer wünscht sich eine gute Reibung zwischen Reifen und Straße. Obendrauf Viktor, Gnas; DigitalVision; MEV Verlag/U.S. Dept. Of the Interior Geological Survey; Glowimages/Herbert Kratky; MEV Verlag/Baeuerle; Der geschickte Einsatz von Muskelkraft macht aus manchem Fußballspieler einen richtigen „Ballzauberer“. 61 06945_Buch.indb 61 16.01.14 09:03 Kräfte Die Kraftprobe Der Riese las: „Sieben auf einen Streich“, und er meinte, das wären Menschen gewesen, die der Schneider erschlagen hätte, und kriegte Respekt vor dem kleinen Kerl. Doch wollte er ihn erst prüfen, nahm einen Stein in die Hand und drückte ihn zusammen, dass das Wasser heraustropfte. „Das mach mir nach“, sprach der Riese, „wenn du Kraft hast!“ „Ist’s weiter nichts?“, sagte das Schneiderlein, „das macht unsereiner spielend“, griff in die Tasche, holte den weichen Käse und drückte ihn, dass der Saft herauslief. „Gelt“, sprach er, „das war ein wenig besser?“ Der Riese wusste nicht, was er sagen sollte, und konnte es von dem Männlein nicht glauben. Da hob der Riese einen Stein auf und warf ihn so hoch, dass man ihn kaum noch sehen konnte: „Nun, du Wicht, das mach mir nach!“ – „Gut geworfen“, sagte der Schneider, „aber der Stein hat doch wieder zur Erde herabfallen müssen. Ich will dir einen werfen, der soll gar nicht wiederkommen“, griff in die Tasche, nahm den Vogel und warf ihn in die Luft. Der Vogel, froh über seine Freiheit, stieg auf, flog fort und kam nicht wieder. „Wie gefällt dir das Stückchen, Kamerad?“, fragte der Schneider. (Aus: „Das tapfere Schneiderlein“ von den Gebrüdern Grimm) Elektrische Kraft ändert die Richtung eines Wasserstrahls. Die Kraft deiner Muskeln hast du sicher schon oft erprobt. Andere Kräfte sind: • die Magnetkraft, • die Motorkraft, • die Schubkraft, die eine Rakete aus dem Schwerefeld der Erde Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Verschiedene Kräfte Muskelkraft verformt ein Bleirohr. bringt, • die Auftriebskraft, die einen mit Gas gefüllten Luftballon steigen lässt, • die Gewichtskraft, mit der alle Körper von der Erde angezogen werden, • die Reibungskraft, die jeder Bewegung Widerstand leistet, • die Federkraft, • die Windkraft, • die Kraft des fließenden Wassers • … Die Wirkung von Kräften Wer Kraft hat, kann Dinge ver­ formen oder ihren Bewegungs­ zustand verändern. Verformungen und Änderungen des Bewegungs­ zustandes bezeichnen wir als Wirkungen einer Kraft. Wenn du deine Muskelkraft auf einen Ball wirken lässt, kannst du ihn zusammendrücken (= verformen), abschießen (= beschleunigen), fangen (= abbremsen) oder ihn im Flug wegschlagen (= seine Bewegungsrichtung ändern). 62 06945_Buch.indb 62 16.01.14 09:03 KräFTe Übungen 1 N1 W Erkennst du die Kräfte, die durch die Pfeile dargestellt werden? 680 2 N1 W Wie heißt das abgebildete Messgerät für Kräfte? 3 N1 W Zeichne die Dehnung der Feder mit zwei und drei gleichen Massestücken! Benenne die Teile! 63 06945_Buch.indb 63 16.01.14 09:03 Kräfte Obendrauf Viktor, Gnas Das Messen von Kräften mit Feder-Kraftmessern Zug- und Druckkräfte von der Größe 1 N Obendrauf Viktor, Gnas Beim Kraftmessen mit Feder-Kraft­ messern vergleicht man die zu messende Kraft mit der elastischen Kraft der Schraubenfeder. An der Fe­ der ist eine Skala (Messeintei­ lung) befestigt, die in der Maßein­ heit der Kraft (in Newton) geeicht ist. Zum leichteren Ablesen ist die Skala zumeist in schwarze und wei­ ße Felder geteilt. Zwei Kräfte werden als gleich groß bezeichnet, wenn sie die gleiche Schraubenfeder um das gleiche Stück dehnen. Ein Bremsenprüfgerät misst die Bremskraft in Kilonewton. Die Maßeinheit der Kraft Teile des Newtons: 1 Millinewton (1 mN) = 0,001 N. Vielfache des Newtons: 1 Kilonewton (1 kN) = 1 000 N; 1 Meganewton (1 MN) = 1 Million N. DigitalVision Kraftmesser geben die angezeigte Kraft in der Einheit Newton (sprich: njutn) an. Ein Newton (1 N) ist die Kraft, mit der ein 100-g-Massestück (ganz genau: 102 g) an einer Aufhängung zieht oder auf eine Unterlage drückt. Wenn du ein 100-g-Massestück hältst, kannst du Kraft von 1 N spüren. Raketen fliegen nach dem Rückstoßprinzip. Die Darstellung von Kräften Kräfte werden allgemein mit dem Großbuchstaben F (engl. force = Kraft) bezeichnet. Zeichnerisch stellt man Kräfte mit Pfeilen dar, weil damit nicht nur die Größe (der „Betrag“), sondern auch die Richtung und der Angriffspunkt beschrieben werden können. Der Anfangspunkt des Pfeiles entspricht dem Angriffspunkt der Kraft, die Richtung des Pfeiles stellt die Kraftrichtung dar und die Länge des Pfeiles ist ein Maß für die Größe der Kraft. Angriffspunkt Richtung Kraft und Gegenkraft Ein Auto, das gegen ein Zaungitter stößt, bewirkt eine Verformung des Zaungitters. Dass das Gitter auch mit einer Kraft auf das Auto ein­ wirkt, kann man an der beschädig­ ten Karosserie des Autos erkennen. Alle Kräfte besitzen die Eigen­ schaft, immer nur paarweise aufzu­ treten, wobei die beiden Kräfte gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Dies merkt man auch: • an der wechselwirkenden Kraft zwischen einem Magneten und einem Eisenstück, • am Rückstoß beim Abschuss einer Gewehrkugel, • beim Rudern und beim Ab­ springen von einem Ruderboot, • am Vorschub, den Düsenflug­ zeuge und Raketen erhalten, wenn heiße Gase mit großer Geschwindigkeit nach hinten austreten, • … 64 06945_Buch.indb 64 16.01.14 09:03 KräFTe Übungen 4 N1 W Mit welchen Kräften drücken oder ziehen die Gegenstände? 2t 1 kg F= F= 5 N2 F= E Baue dir eine Kartoffelschleuder! Sie zeigt dir die Wirkung des Rückstoßes. Gib das Holzbrett auf die Rollen! Lege die Kartoffel vor das gespannte Gummiband! Obendrauf Viktor, Gnas Lege den Gummiring über die zwei vorderen Nägel und spanne ihn mit dem Faden über den hinteren Nagel! Obendrauf Viktor, Gnas Schlage die Nägel in Form eines Dreiecks in das Holz! Obendrauf Viktor, Gnas Die Teile. Kartoffel Holzbrett Obendrauf Viktor, Gnas Bindfaden Hammer Streichhölzer Obendrauf Viktor, Gnas Gummiring drei Nägel zwei Zwirnrollen (oder runde Bleistifte) Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: Brenne den Faden durch und beobachte die Bewegungsrichtungen der Kartoffel und des Brettes! 65 06945_Buch.indb 65 16.01.14 09:03 Kräfte Die Gewichtskraft verformt einen Schwamm. Wenn du einen Körper hältst, spürst du eine Kraft, mit der er nach unten gezogen wird. Körper kön­ nen unterschiedlich schwer sein. Sie drücken auf eine Unterlage oder ziehen an einer Aufhängung. Lässt man sie los, fallen sie immer schneller nach unten. Der Engländer Isaac Newton erkannte als Erster, dass alle Körper einander anziehen. Er bezeichnete dieses Naturgesetz als Gravitation. Hält man einen Stein in der Hand, wird er von der Erde angezogen, was wir als Gewichtskraft spüren. Aber auch der Stein übt die gleich Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Die Gewichtskraft Die Gewichtskraft kann einen Körper beschleunigen. große Anziehungskraft auf die Erde aus. Lässt man den Stein los, wirkt die Gravitation stärker auf den kleinen Stein als auf die große Erde. Der Stein bewegt sich auf die Erde zu. Die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern ist umso größer, je größer ihre Massen sind und je geringer der Abstand zwischen ihnen ist. Die Erde hat im Vergleich zu uns Menschen und zu den Dingen unserer Umwelt eine so große Masse, dass sie alle Körper in Richtung Erdmittelpunkt zieht und damit allen Dingen eine Schwere gibt. Diese Kraft nennen wir Gewichtskraft. Wie jede andere Kraft wird sie in der Einheit Newton (N) gemessen. Ein Wägestück von 102 g Masse wird von der Erde mit der Kraft von 1 N angezogen. Der Mond hat eine viel kleinere Masse als die Erde. An seiner Ober­ fläche wird nur ein Sechstel der Erdschwerkraft wirksam. Von der Masse eines Himmels­ körpers hängt es also ab, wie schwer ein Körper auf ihm ist. Die Reibungskraft Haftreibung Obendrauf Viktor, Gnas Rollreibung Obendrauf Viktor, Gnas Gleitreibung Ein Vergleich der Reibungsarten Schmierstoffe vermindern die Reibung. Wälzlager Wenn du Schi fährst, dann weißt du, wie wichtig das richtige Wachs für das Gleiten auf Schnee ist. Schlecht präparierte Schi „laufen“ nicht. Sie werden durch eine Kraft gebremst, die wir Reibung nennen. Die Oberflächen von festen Kör­ pern sind nie vollkommen glatt. Werden sie aneinandergepresst, bewirken die Unebenheiten ein „Aufeinanderhaften“. Wir unterscheiden Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung, je nachdem, ob die Körper aneinander haften, gleiten oder rollen. Bei bewegten Maschinen­ teilen ist die Reibung meist eine störende Nebenerscheinung; durch Schmierstoffe und den Einbau von Wälzlagern (Kugel- und Rollenlager) wird sie verringert. Manchmal ist die Reibung aber unbedingt erforderlich: Ohne die Haftreibung könnten wir beim Gehen und Stehen keinen Halt finden. Eine Lokomotive könnte ohne die Haftreibung zwischen den Rädern und Schienen keine Waggons ziehen. Fahrzeuge finden durch Haftreibung einen festen Halt auf der Straße, der aber durch Nässe, Aquaplaning und Glatteis herabgesetzt wird. Ohne Reibung könnte kein Fahr­ zeug gebremst werden, kein Nagel im Holz halten und jeder Knoten sich lösen. 66 06945_Buch.indb 66 16.01.14 09:03 KräFTe Übungen 6 N2 W Auf 600 g Masse wirkt auf der Erde eine Gewichtskraft von 6 N. Wie viel würde der gleiche Feder-Kraftmesser auf dem Mond anzeigen? Ergänze die Zeichnung! ? 600 g Mond Erde 7 N2 W Welches Holzstück lässt sich am leichtesten m, welches am schwersten m bewegen? A 8 N2 B C E Baue dir eine „Teststrecke“ zum Überprüfen der Reibungskräfte! Die Teile. Kontaktkleber Mappe oder Buch Klebe eine Kugel auf das Schreibpapier, die zweite auf das Schleifpapier! Obendrauf Viktor, Gnas ein Stück Schreibpapier eine Schere Obendrauf Viktor, Gnas drei Glaskugeln ein Stück Schleifpapier Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst dazu: Lasse deine „Flitzer“ zuerst einzeln und dann um die Wette „hinunterfahren“! Verändere die Neigung der Bahn! Obendrauf Viktor, Gnas Verwende verschiedene Bahnen (Holz, Kunststoff …) und mache sie mehr oder weniger gleitfähig (Seife …)! Verwende verschieden große Papier- und Schleifpapierstücke und überprüfe, ob die Reibungskraft von der Größe der Reibungsfläche abhängig ist! Notiere deine Beobachtungen! Start zum Rennen! Es gibt einen großen Favoriten! 67 06945_Buch.indb 67 16.01.14 09:03 KRÄFTE K N O B E L I X 1 N2 W Welche Kraft hat den größten Betrag? m 3N Welche Kräfte sind gleich gerichtet? 5N 2N A 2 N2 m m B C W Setze den richtigen Buchstaben in das richtige Kästchen ein! A – Die nach unten gerichtete Kaft ist größer als die nach oben gerichtete Kraft. B – Beide Kräfte sind gleich groß. C – Die nach oben gerichtete Kraft ist größer als die nach unten gerichtete Kraft. m 3 N2 m m W Mit welcher Kraft zieht die Erde die verschiedenen Körper an? 600 g 4 N2 W Wir bringen die abgebildete Balkenwaage 600 g auf den Mond. Was verändert sich? Zeichne! 6N N2 600600 g g 600 g 600 g 6N 600 g ? 6N 6N 6N Erde 5 1 000 kg 70 kg Erde ? ? 6N Erde Mond Mond Mond W Ein Feder-Kraftmesser dehnt sich bei 4 N Belastung um 10 cm. Wie stark müsste man die Feder belasten, damit sie sich um 25 cm dehnt? Wie groß wäre die Verlängerung bei einer Kraft von 14 N? 68 06945_Kern_03_Kapitel_2.indd 68 20.01.14 07:45 KräFTe K N O B E L I X 6 N2 W Die Ausrüstung eines Astronauten hat eine Masse von 90 kg. Wie viel Kraft muss ein Astronaut auf der Erde / auf dem Mond aufwenden, um seine Ausrüstung zu tragen? Auf der Erde: 7 N2 Auf dem Mond: E In jedem Gefäß befindet sich eine Metallkugel. A = Motoröl B = Wasser C = Honig D = Luft E = Benzin In welchem Gefäß erreicht die Kugel am schnellsten den Boden, wenn die Gefäße gleichzeitig umgedreht werden? m m Wo ist die Reibung am geringsten? m Wo ist die Reibung am größten? Reihe die Gefäße nach der Schnelligkeit des Kugelfalls! m m m m m Kurz zusammengefasst ‘ Kraftarten: Magnetkraft, elektrische Kraft, gewichtskraft, reibungskraft wirkungen einer Kraft: Verformung, beschleunigung, Verzögerung, änderung der bewegungs­ richtung ‘ Kräfte können mit einem in newton geeichten Kraftmesser gemessen werden. Die einheit der Kraft ist 1 n (newton); das ist ungefähr die Kraft, mit der ein 100­g­Massestück von der erde angezogen wird. Kräfte werden mit pfeilen dargestellt. Kraftwirkungen zwischen den Körpern sind wechselseitig; Kraft und gegenkraft sind gleich groß. ‘ Die Kraft, mit der ein Körper von der erde angezogen wird, nennt man gewichtskraft (gravitations­ kraft, Anziehungskraft). sie ist zum erdmittelpunkt gerichtet. reibungskräfte entstehen an der berührungsfläche zweier Körper; ihre größe hängt von der Ober­ flächenbeschaffenheit und von der Kraft ab, mit der die Körper aufeinander drücken. Man unterscheidet haft­, gleit­ und rollreibung. 69 06945_Buch.indb 69 16.01.14 09:03 Kräfte Lexikon Gravitation, die; Massenanziehung; Kraft, mit der sich schwere Massen gegenseitig anziehen. Wegen der beinahe kugelförmigen Gestalt der Erde ist die Gravitationskraft auf der gesamten Erde fast gleich groß (an den Polen etwas größer als am Äquator) und zum Erdmittelpunkt hin gerichtet. Aus dem Gravitations­ gesetz lässt sich die Schwere­ beschleunigung g eines Körpers berechnen. Einige Werte für unser Sonnensystem: Körper g Sonne 274,00 Jupiter 26,00 Neptun 15,00 Saturn 11,20 Erde 9,81 Uranus 9,40 Venus 8,50 Mars 3,76 Merkur 3,80 Erdmond 1,62 Ein Beispiel: Wir berechnen die Gra­ vitation für 1 kg Masse auf dem Saturn (gSaturn = 11,20 m / s2) Formel: Kraft (F) = Masse (m) · Schwere­ beschleunigung (g) Schmieröl, Teer) groß. Sie nimmt mit steigender Temperatur stark ab. Bei folgenden Stoffen nimmt die Viskosität bei gleicher Temperatur zu: Wasser, Alkohol, Benzin, Schmier­ öl, Honig, Teer, Schmierseife, Pech. Ergebnis: Ein 1-kg-Massestück ist auf dem N schwer (auf dem Saturn 11,2 Neptun 15 N, auf dem Jupiter 26 N usw.). Reibung im Straßenverkehr Zur Änderung des Bewegungs­ zustandes (Beschleunigen, Bremsen) und der Bewegungsrichtung (Kur­ venfahren) im Straßenverkehr sind Kräfte nötig. Diese Kräfte zwischen Fahrbahn und Fahrzeug beruhen auf Reibung. Beim Anfahren, Beschleu­ nigen und beim Kurvenfahren soll die Haftreibung möglichst groß sein, damit der Reifen nicht durchdreht und nicht über die Fahrbahn gleitet. Auch beim Bremsen ist das Haften des Reifens auf der Fahrbahn wichtig. Rutscht der Reifen, wird der Bremsweg erheblich länger. Newton (sprich: njutn), Sir Isaac; englischer Physiker, Mathematiker und Astronom (Stern-, Himmels­ forscher), * 4. Jänner 1643, † 31. März 1727; entdeckte die gegenseitige Anziehung von Massen (Gravitation) und erkannte, dass die dabei wirkende Kraft die Planeten auf ihren Bahnen hält. Newton (N), das; abgeleitete Einheit der Kraft; Kraft = Masse mal Beschleunigung; 1 Newton ist gleich der Kraft, die einem Körper mit der Masse von einem Kilogramm die Meter durch Beschleunigung 1 Quadratsekunde erteilt: 1 N = 1 m kg / s2 Reibung, die; 1. Eine Kraft, die zwischen zwei bewegten Körpern auftritt, wenn sie sich berühren. Diese Kraft wird äußere Reibung genannt. 2. Die Kraft, die im Innern eines Körpers auftritt und auf Kräften zwischen den Teilchen beruht (innere Reibung). Bei Flüssigkeiten heißt sie auch Viskosität oder Zähig­ keit. Die Viskosität ist bei leicht fließenden Flüssigkeiten (Ether, Benzin, Alkohol, Wasser) klein, bei zäh fließenden (Honig, Glyzerin, Fotolia.com/77SG Gewichtskraft, die; Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Diese Kraft ist zum Erdmittelpunkt ge­richtet. Ihre Größe hängt für den gleichen Körper vom Ort ab, an dem sich der Körper befindet. Die Erde ist an den Polen abgeplattet. Deshalb ist die Gewichtskraft eines Körpers an den Polen größer als am Äquator. F = 1 kg · 11,20 m / s2 = 11,20 kgm / s2 Deutsches Museum, München Aquaplaning, das; Gleiten eines Autoreifens auf einer Wasserschicht, wenn das Rad wegen zu geringer Profiltiefe oder zu hoher Geschwin­ digkeit seine Haftreibung mit der Fahrbahn verliert. Dabei geht die Haftreibung in eine Gleitreibung über. Zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Reibung ist für alle Reifen eine Mindestprofiltiefe mm für Personenkraftwagen) (1,6 gesetzlich vorgeschrieben. Reifenprofil und Verkehrssicherheit Reifen sind verkehrssicher, wenn sie den vorgeschriebenen Reifendruck und das richtige Reifenprofil haben. Damit ist es möglich, auch bei Regen sicher zu bremsen und zu lenken. Durch die Profilrillen kann das Was­ ser zwischen Reifen und Fahrbahn nach außen abgeleitet werden. Renn­wagen benutzen bei trockener Straße profillose Reifen. Damit wird die Haftreibung verbessert, da der Reifen eine große Aufstandsfläche hat. Bei Regenwetter müssen Profil­ reifen montiert werden. Rückstoß, der; die Gegenkraft, die ein Körper erfährt, wenn von ihm Masse fortgestoßen wird. Das Gesetz von Kraft und Gegenkraft wurde von Isaac Newton entdeckt und als das Gesetz von actio und reactio (lat. actio = Wirkung, reactio = Gegen­ wirkung) bezeichnet. Dieses Gesetz spielt in der Technik und im Alltag eine wichtige Rolle. 70 06945_Kern_03_Kapitel_2.indd 70 16.02.15 07:46 Aufbau der Materie Die Kräfte zwischen den Wasserteilchen sind an der Wasseroberfläche so groß, dass eine Rasierklinge aus Eisen getragen wird. Das regelmäßige Aussehen eines Eiskristalls ist ein Hinweis auf die regelmäßige Anordnung der Wasserteilchen. Sieht man das Modell eines Hauses, kann man sich das richtige Haus bereits vorstellen. Um Stoffeigenschaften zu erklären, verwendet man ebenfalls Modelle; Modelle für die kleinsten Teilchen. Tee ist eine Lösung: Zwischen den Teilchen des Tees und den Wasserteilchen herrschen große Anziehungskräfte. Haarröhrchenwirkung: Je dünner die Glasröhrchen, desto höher steigt das Wasser. Obendrauf Viktor, Gnas Der Docht der Lampe sorgt für Nachschub: Das Duftpetroleum gelangt durch Haarröhrchenwirkung zur Flamme. Ähnlich steigt das Wasser von den Wurzeln bis zur Baumkrone. 71 06945_Buch.indb 71 16.01.14 09:03 Aufbau der Materie Ein missglücktes Zeichenexperiment Unser Zeichenlehrer, der Jan, führte uns in den Hofgarten und wir mussten alle auf die Erde sehen, wo abgebrannte Streichhölzer lagen. Und der Jan gab uns auf, die abgebrannten Streichhölzer zu malen, so naturgetreu, dass man den Eindruck habe, als könne man so ein Streichholz vom Zeichenblock wegnehmen. Ich war als Erster fertig, unter­ zeichnete mein Werk und gab es ab. Da rief der Jan, die anderen sollten mal alle aufhören und herkommen und sagte, ich sei in Wirklichkeit recht begabt, wenn ich nicht gerade dummes Zeug im Kopf hätte. Und ob das nicht aussehe wie ein richtiges Streichholz auf Zeichenpapier. Aber während er das sagte, war die Spucke getrocknet und mein Streichholz rollte vom Block. Ich erhielt eine Ohrfeige, die sang noch etwas und ging dann vorüber. (Alexander Spoerl: „Memoiren eines mittel­ mäßigen Schülers“) Fragen, Fragen ... Seit jeher sucht der Mensch nach einer Erklärung für die vielfältigen Erscheinungen in der Natur. Viel­ leicht hast du dich auch schon gefragt, warum Kochsalz bei Raumtemperatur fest ist, Wasser dagegen flüssig und Luft gas­ förmig? Warum ist Zucker in Wasser löslich, Benzin dagegen aber in Wasser nicht löslich? Alle Fragen an die Natur münden in die Frage nach dem Aufbau der Materie. Das ist keine leichte Frage, da der Aufbau der Stoffe nicht direkt erkennbar ist. Wir sind daher gezwungen, uns Bilder zu machen und Vergleiche anzustellen. Solche Beschreibungen nennen wir ein Modell. Auch im täglichen Leben verwen­ den wir ständig Modelle. Spiel­ zeughäuser und Spielzeugautos sind Modelle. Die Tätigkeit unseres Herzens beschreiben wir mit dem Modell einer Pumpe. Aber so wie ein Spielzeughaus kein wirkliches Haus ist, dürfen wir auch die Modelle in der Physik nicht mit der Wirklichkeit gleichsetzen. Modelle können daher weder falsch noch richtig sein, sondern nur gut oder schlecht. Ein gutes Modell kann viele Eigenschaften der Materie beschreiben, ein schlechtes Modell nur wenige. ... und eine Antwort: das Teilchenmodell Das zur Zeit beste Modell zur Be­ schreibung der Eigenschaften der Stoffe ist die Annahme, dass alle Stoffe aus Teilchen bestehen. Zwi­ schen den Teilchen ist leerer Raum. Die Teilchen sind so klein, dass sie für unsere Augen und auch mit den besten Mikroskopen nicht sichtbar sind. Obwohl man solche Teilchen nicht sehen kann, kennt man von ihnen Kristalle haben eine regelmäßige, geordnete Struktur. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas viele Eigenschaften: Diese Teilchen ziehen einander unterschiedlich stark an. Die Anziehungskräfte sind allerdings nur in sehr kurzer Entfernung von etwa einem Teilchendurchmesser wirksam. Diese Teilchen sind in ständiger Bewegung und stoßen dauernd zusammen. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist umso größer, je höher die Temperatur ist. Ein Modell der regelmäßigen Teilchenanordnung in einem Kristall Sauerstoffteilchen in der Luft hat bei 20 °C ungefähr eine Geschwin­ digkeit von 500 m / s. Dabei stößt es natürlich mit anderen Teilchen zusammen. Man hat errechnet, dass jedes Teilchen dabei eine Milliarde Zusammenstöße in der Sekunde hat. In der dritten Klasse wirst du noch lernen, dass Stoffe aus Atomen und Molekülen oder elektrisch geladenen Atomen, den Ionen, aufgebaut sind. Eine regelmäßige Anordnung die­ ser Teilchen nennt man ein Raum­ gitter. Atome bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen, vergleichbar mit einer Autokolonne, die aus vielen Autos besteht, die ihrerseits aber wieder aus kleineren Teilen wie Motor, Reifen usw. zusammengesetzt sind. 72 06945_Kern_04_Kapitel_3.indd 72 20.01.14 07:46 AufbAu der MAterie Übungen 1 N2 W Obendrauf Viktor, Gnas Früher, als du noch klein warst, hast du sicher einmal mit Bausteinen Häuser gebaut. Natürlich waren es keine richtigen Häuser, sondern nur Modelle. Welche Ähnlichkeiten bestehen zwischen einem richtigen Haus und einem Haus aus Bausteinen? 2 N2 Obendrauf Viktor, Gnas Worin unterscheiden sich die beiden abgebildeten Windmühlen? E Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Der Rohbau eines Hauses besteht aus Ziegeln in einer bestimmten Anordnung. Aus einiger Entfernung ist aber nur der Aufbau der Hausmauern zu erkennen. Schätze, wie viele mittelgroße Hohlblockziegel für den Rohbau eines einfachen Hauses notwendig sind? m m ca. 200 3 N2 ca. 2 000 m ca. 2 000 000 E Erst unermesslich viele kleinste Zuckerteilchen bilden eine „süße Gemeinschaft“. Gib ein Stück Würfelzucker in eine leere Mineralwasserflasche und fülle diese mit Leitungswasser! Nach dem Auflösen des Zuckers verkoste die Lösung mit einem kleinen Schluck! Schmeckt die Lösung süß? Wenn nicht, gib noch ein oder zwei Stück Würfelzucker in das Wasser! Koste erneut! Welche Eigenschaften des Zuckers ändern sich beim Auflösen im Wasser? Schätze, wie viele kleinste Zuckerbausteine erst einen süßen Geschmack ergeben! m m ca. 1 000 m ca. 1 000 000 ca. 10 000 000 000 000 000 (etwa 2 Millionen Mal die Erdbevölkerung) 4 N2 E Spitze einen Bleistift so gut wie möglich und mache in diesem Kreis einen gerade noch sichtbaren Punkt! Schätze, wie viele kleinste Teilchen des Bleistiftfarbstoffes sich in diesem Punkt befinden! m m 1 m 1 000 1 000 000 000 000 (etwa zweihundert Mal die Erdbevölkerung) 73 06945_Buch.indb 73 16.01.14 09:03 Aufbau der Materie Obendrauf Viktor, Gnas Halt und Form durch Kraft – die Zustandsformen der Stoffe Obendrauf Viktor, Gnas Feststoffe haben ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Form. Obendrauf Viktor, Gnas Gase haben weder ein bestimmtes Volumen, noch eine bestimmte Form. Flüssigkeiten haben ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Eis, Wasser, Wasserdampf – ein Stoff in den drei Zustandsformen „fest“, „flüssig“, „gasförmig“. Aber nicht alle Stoffe in der Natur können in diese drei Zustandsformen eingeteilt werden. Plastilin und organisches Gewebe sind nur zwei Beispiele. Mit dem Teilchenmodell können wir die unterschiedlichen Eigenschaften der drei Zustandsformen gut erklären. Feststoff Ein fester Stoff ändert seine ­Gestalt nicht und ist nicht zusammen­ drückbar. Das ist eine Folge der dicht gepack­ ten Teilchen, die sehr nahe und sehr regelmäßig angeordnet sind. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind sehr groß. Die Zitterbewegung der Teilchen ist so schwach, dass die Teilchen ihre Plätze vorerst nicht verlassen können. Flüssigkeit Eine Flüssigkeit ist wie ein Feststoff kaum zusammendrückbar, kann sich aber jeder beliebigen Form anpassen. Die Teilchen sind sehr nahe, aber unregelmäßig angeordnet und vor allem gegeneinander v­ erschiebbar. Die Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen sind bei gleicher Temperatur kleiner als zwischen den Teilchen eines ­Feststoffes. Gas Ein gasförmiger Stoff ist zusam­ mendrückbar. Er passt sich jeder Form an und füllt jedes Volumen aus. Seine Teilchen sind weit voneinan­ der entfernt und völlig ­ungeordnet. Die Anziehungskräfte zwischen den Gasteilchen sind sehr klein, so dass sich die Teilchen praktisch frei und unabhängig voneinander bewegen können. Zur Veranschaulichung: Ein Glas Alkohol, in das Weltmeer gegossen und gleichmäßig verteilt, ergibt überall etwa 7 000 kleinste Alko­ holteilchen pro Liter Wasser. Wenn man die Schneeteilchen von einem Schneeball auf die Größe von Erbsen vergrößern würde, ergäbe das so viel Schnee, dass die ganze Erde mit einer 300 m hohen Schneeschicht bedeckt wäre. ... in einer Flüssigkeit ... in einem Gas Anordnung der Teilchen ... im Gitter eines Kristalls 74 06945_Buch.indb 74 16.01.14 09:03 AufbAu der MAterie Übungen 5 N2 6 E Fülle in eine Spritze einmal Wasser und einmal Luft ein! Halte die Spritze mit einem Finger fest zu und drücke kräftig auf den Kolben! Führe den Versuch mit Wasser besser über einem großen Glas oder einem Waschbecken durch. N2 E Schütte einmal Wasser und einmal kleine Kreidestücke aus einem Glas in ein Wanne! Zeichne die Verteilung des Wassers und der Kreidestücke in die untere Abbildung ein! Notiere deine Beobachtungen! Bei Wasser: WasserWasser Bei Luft: 7 N2 Kreidestücke Kreidestücke E Kreuze die für den jeweiligen Stoff zutreffenden Aussagen an! Feststoff Flüssigkeit Gas 8 N3 zusammendrückbar passt sich jeder Form an Teilchen berühren einander Anziehungskräfte größer als Abstoßungskräfte m m m m m m m m m m m m W Zustandsform Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Mit welcher Zustandsform würdest du die Anordnung der Tomaten (Paradeiser) in den beiden Abbildungen vergleichen? Zustandsform Welche Ähnlichkeit gibt es jeweils? 75 06945_Buch.indb 75 16.01.14 09:03 Aufbau der Materie Teilchenkräfte ermöglichen Zusammenhalt – Kleben, Löten, Schreiben, Malen, Drucken Obendrauf Viktor, Gnas Nicht nur gleiche Teilchen, sondern auch verschiedenartige Teilchen ziehen einander an, aber nur in sehr geringer Entfernung. Nur die Teilchen einer Flüssigkeit oder eines plastischen Stoffes können so nahe zu den Teilchen eines Feststoffes kommen, dass die Anziehungskräfte wirksam werden können. Nach dem Festwerden ermöglichen die Kräfte zwischen den Teilchen des Klebstoffes und den Teilchen der Bruchstücke eine feste Verbindung. Beim Löten von elektronischen Bauteilen werden zwei Metalldrähte durch ein zuerst flüssiges Metall, das Lötzinn, miteinander verbunden. Die Verbindung von elektronischen Leitungen erfolgt oft durch Löten. Ohne Teilchenkräfte kein Leben – Oberflächenspannung und Haarröhrchenwirkung Die große Oberflächenspannung des Wassers verhindert sein Eindringen zwischen die Fasern und ist beim Waschen ein Nachteil. engen Röhrchen bemerkbar. Wasser steigt durch diese Anziehungskräfte in engen Glasrohren, aber auch zwischen den Fasern von Tüchern und Papier sowie in den Pflanzen empor. Die Wirkung ist umso größer, je kleiner der Durchmesser der Röhrchen ist. Enge Glasrohre und lang gestreckte enge Hohlräume werden auch als Haarröhrchen oder als Kapillaren bezeichnet. Ohne Isolierung kann bei Gebäuden durch die Haar­ ­ röhrchenwirkung von Ziegeln die Bodenfeuchtigkeit bis in die Wohnräume emporsteigen. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas genannt. Die Oberflächen­ spannung bewirkt die typische Form eines Flüssigkeitstropfens. Außerdem verhindert sie das Ein­ sinken eines Wasserläufers oder einer Rasierklinge ins Wasser. Alle Waschmittel verkleinern die Oberflächenspannung von Wasser. Dadurch wird eine natürliche Eigenschaft des Wassers verändert. Alle Waschmittel sind schon allein deshalb eine Belastung für das Leben im Wasser. Die Oberflächenspannung und die Anziehungskräfte zwischen Flüssigkeitsteilchen und Feststoff­ teilchen machen sich besonders in Das Aufsteigen von Wasser in Pflanzen erfolgt auch durch die Haarröhrchenwirkung: Eine weiße Nelke wird blau, wenn man sie in Tinte taucht. Obendrauf Viktor, Gnas Bei den Teilchen im Inneren einer Flüssigkeit heben sich die nach ­allen Seiten gleich großen Anzie­ hungskräfte zwischen den Teilchen gegenseitig auf. Bei einem Teilchen an der Oberfläche der Flüssigkeit bleibt aber eine nach innen gerichtete Restkraft bestehen, da die oberen Partner fehlen. Diese Kraft bewirkt, dass die Teil­ chen an der Oberfläche der Flüssig­ keit fester aneinander gebunden sind als die Teilchen im Inneren der Flüssigkeit. Die Teilchen an der Oberfläche der Flüssigkeit bilden eine Art Flüssigkeitshaut. Diese Kraft wird Oberflächenspannung Altbausanierung: Durch ein gewelltes Stahlblech wird das Aufsteigen der Bodenfeuchtigkeit verhindert. 76 06945_Buch.indb 76 16.01.14 09:03 AufbAu der MAterie Übungen E Gib zwischen die beiden Kreidestücke einige Tropfen Wasser und drücke erneut zusammen! Obendrauf Viktor, Gnas Zerbrich ein Stück Kreide! Versuche durch festes Zusammendrücken die beiden Kreidestücke „zusammenzukleben“! Zerteile ein Stück Plastilin! Versuche auch hier durch festes Zusammendrücken die beiden Teile „zusammenzukleben“! Obendrauf Viktor, Gnas N2 Obendrauf Viktor, Gnas 9 Notiere deine Beobachtungen! Versuche eine Erklärung für das unterschiedliche Verhalten von Kreide, Kreide mit Wasser und Plastilin zu finden! 10 N1 E Fülle ein Trinkglas randvoll mit Wasser. Lege mithilfe einer Gabel eine trockene Rasierklinge vorsichtig auf die Wasseroberfläche. Gib aus einer Spritze tropfenweise noch mehr Wasser dazu, bis der Wasserspiegel über das Glas hinausragt. Notiere deine Beobachtung! Notiere deine Beobachtung! 11 N1 Obendrauf Viktor, Gnas Gib einige Körnchen Waschpulver oder einige Tropfen Geschirrspülmittel ins Wasser! E Hänge einen Zeitungspapierstreifen, einen Löschpapierstreifen und einen Baumwollstreifen in ein mit Wasser gefülltes Gefäß! Obendrauf Viktor, Gnas Notiere deine Beobachtung! 77 06945_Buch.indb 77 16.01.14 09:04 Aufbau der Materie Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas <Keine Daten von Verknüpfung> Teilchenkräfte zwischen Wasserteilchen und Stoffteilchen – Lösungen Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen bewirken die Löslichkeit der Stoffe: Ein Kupfersulfatkristall löst sich in Wasser auf. Darstellung des Lösungsvorganges eines Feststoffes in Wasser Viele Flüssigkeiten des alltäglichen Gebrauchs sind Lösungen. Auch das Auflösen von Stoffen in Wasser beruht auf den Anziehungs­ kräften zwischen verschiedenen Teilchen. Beim Lösen von Zucker in Wasser ist die Anziehungskraft zwischen den Wasserteilchen und den Zuckerteilchen noch größer als die Anziehung der Zucker­ teilchen untereinander. Die Wasserteilchen umgeben die Zuckerteilchen und lösen sie einzeln aus der Ordnung des festen Zustandes heraus. Da die Zucker­ teilchen so klein sind, können wir sie in der Lösung nicht mehr erkennen. Benzin ist in Wasser nicht löslich, da die Anziehungs­ kräfte zwischen den Wasser­ teilchen und den Benzinteilchen zu klein sind. Teilchen in Bewegung – Diffusion und Brown’sche Bewegung dem Mikroskop kann man auch bei Ruß oder Rauch in der Luft sowie bei Fetttröpfchen in der Milch ähnliche Bewegungen beobachten. Sie wird als Brown’sche Bewegung bezeichnet und erfolgt durch die unregel­ mäßigen Zusammenstöße der Luftteilchen mit dem Staub oder der Wasserteilchen mit den Fett­ tröpfchen. Das Teilchenmodell erweist sich somit als sehr brauchbares Modell vom Aufbau der Materie. <Keine Daten von Verknüpfung> eng aneinanderliegenden Flüssig­ keitsteilchen eine rasche Aus­ breitung verhindern; so wie man auf einer überfüllten Straße viel langsamer weiterkommt als auf einer fast leeren Straße. Die Verteilung der Luftteilchen in der Atmosphäre, entgegen der Schwerkraft, die Ausbreitung der Düngersalze, aber auch der Schad­ stoffe im Grundwasser, ist eine Auswirkung der Diffusion. Wenn ein Lichtstrahl durch einen Fensterspalt fällt, sehen wir den Staub in zitternder Bewegung. Mit Obendrauf Viktor, Gnas Dass die Gasteilchen der Luft sich mit großer Geschwindigkeit bewe­ gen sollen, kommt uns im ersten Moment sehr unwahrscheinlich vor. Durch die Ausbreitung von Geruchsstoffen in der Luft können wir aber auf diese Bewegung schließen. Das gleichmäßige Verteilen von Stoffen in Gasen und in Flüssig­ keiten nennen wir Diffusion. Die Diffusion wirkt auch gegen die Schwerkraft. In Flüssigkeiten ist die Diffusion viel langsamer als in Gasen, da die Die gleichmäßige Verteilung eines Farbstoffes in Wasser dauert je nach Temperatur mehrere Tage. Aufzeichnung der Bewegung eines Staubkörnchens in der Luft innerhalb eines bestimmten Zeitraumes 78 06945_Buch.indb 78 16.01.14 09:04 AufbAu der MAterie Übungen 12 N1 E Nimm drei Gläser und fülle sie jeweils mit gleich viel Wasser! Dann gib teelöffelweise jeweils Kochsalz, Kristallzucker und Sand dazu! Rühre um! Nach Teelöffeln Nach Teelöffeln Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Nach wie viel Teelöffel bleibt ein Rückstand im Glas? Nach Teelöffeln Ordne die Stoffe nach ihrer Löslichkeit in Wasser! Bei welchem Stoff sind die Kräfte zwischen den Wasserteilchen und den Stoffteilchen am größten? 13 N1 E Ein hoher, schmaler Glasbecher oder ein Reagenzglas werden mit Wasser gefüllt. Dann wird mit einem Plastikhalm vorsichtig eine Dickfruchtsaftlösung unterschichtet und das Glas an einem ruhigen Ort abgestellt. Beobachte, nach welcher Zeit sich das Wasser gleichmäßig färbt! Obendrauf Viktor, Gnas Erste Färbung nach: Gleichmäßige Färbung: 14 N2 E In der Abbildung sind die Parfumteilchen durch kleine Punkte dargestellt. Welches Bild entspricht dem Verteilungszustand der Parfumteilchen, wenn die Flasche lange Zeit offen in einem geschlossenen Raum steht? Kreuze die richtige Abbildung an! m m m 79 06945_Buch.indb 79 16.01.14 09:04 AufbAu der MAterie K N O B E L I X 1 N2 E Warum lässt sich Luft zusammendrücken, Wasser aber nicht? 2 N2 E Wenn wir die Luftteilchen als kleine Punkte sehen könnten, wie sie in der Abbildung hier dargestellt sind, so würden wir herausfinden, dass in den Räumen zwischen den Teilchen … m m m m m … Luft ist. … Schadstoffe sind. … Sauerstoff ist. … überhaupt keine Materie (kein Stoff ) ist. … Staub ist. Kreuze jene Zeile an, die den Anfangssatz richtig ergänzt! 3 N2 E Unterstreiche bei den folgenden Stoffpaaren jeweils den Stoff, der die größere Anziehungskraft zwischen seinen kleinsten Teilchen hat! Eisen oder Wasser Sauerstoff oder Butter Benzin oder Aluminium Speiseöl oder Kohlenstoffdioxid 4 N2 E In der Einleitungsgeschichte zu diesem Kapitel wurde Wasser ohne Erfolg als Klebstoff verwendet. Nenne zwei Gründe, warum Wasser kein geeigneter Klebstoff ist! 5 N2 E Der Abstand der Gasteilchen voneinander ist ungefähr 200­mal größer als der Teilchendurch­ messer. Welchen Abstand hätten Gasteilchen voneinander, wenn man den Teilchendurchmesser auf 1 cm vergrößern würde? Ist in der Abbildung des gasförmigen Zustandes auf Seite 74 der Abstand der Gasteilchen voneinander richtig dargestellt? 80 06945_Buch.indb 80 16.01.14 09:04 AufbAu der MAterie K N O B E L I X 6 N2 E Ein Kurztoto: richtig = 1 falsch = 2 teilweise richtig = x Die Zustandsform eines Stoffes ist von der Temperatur abhängig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In einem Feststoff bewegen sich die kleinsten Teilchen in einer zitternden Bewegung um die Ruhelage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m Durch Diffusion entsteht beim Umrühren von Zucker ein süßer Tee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m m m Die kleinsten Teilchen von Wasser bewegen sich schneller als die kleinsten Teilchen von gasförmigem Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m Die Anziehungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen von Benzin und Wasser sind viel kleiner als die Anziehungskräfte zwischen den Wasserteilchen untereinander. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m Die Oberflächenspannung von Wasser ermöglicht das Schwimmen im Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 N2 E Unten sind vier Alltagserscheinungen angeführt, von denen drei in einem sinnvollen Zusammen­ hang stehen, während eine nicht dazupasst. Welche ist es und warum? m m m m Saftsteigen in einem Baum Aufsaugen von Wasser mit einem Strohhalm 8 N2 E Der Zaubertrick mit den „magischen Streich­ hölzern“ Nimm ein Streichholz und reibe es an einem Ende mit etwas Seife ein! Nun wollen wir die „magische Wirkung“ dieses Streichholzes überprüfen. Streue gemahlenen Pfeffer auf eine Wasseroberfläche und halte ein „magisches Streichholz“ in die Mitte. Der Pfeffer flieht vor dem Streichholz. Beobachte und zeichne in die zweite Abbildung die vergrößerten Seifenteilchen ein. Seifenteilchen (vergrößert) Aufsaugen von Wasser mit einem Schwamm Aufsteigen von Feuchtigkeit in einer Mauer Kurz zusammengefasst ‘ Alle Stoffe bestehen aus kleinsten teilchen, die in ständiger, ungeordneter bewegung sind. ‘ das teilchenmodell erklärt die unterschiedlichen eigenschaften der Stoffe in den drei Zustands­ formen „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“. ‘ die teilchenkräfte ermöglichen beim Kleben und Löten die Verbindung von bruchstücken. die Oberflächenspannung entsteht durch die Anziehungskräfte zwischen den kleinsten teilchen an der Oberfläche einer flüssigkeit. durch die Haarröhrchenwirkung kann Wasser in engen rohren hinaufsteigen. ‘ bei löslichen Stoffen ist die Anziehungskraft zwischen den Wasserteilchen und den Stoffteilchen groß. die bewegung der teilchen ist die ursache von diffusion und brown’scher bewegung. 81 06945_Buch.indb 81 16.01.14 09:04 Aufbau der Materie Lexikon Aggregatzustand, der; (lat., „Anhäu­ fung“), Zustandsform eines Stoffes. Die drei Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig. Atom, das; (griech., „unteilbar“), eine der Arten der kleinsten Stoffteilchen. Der Durchmesser von Atomen be­ trägt ungefähr 0,0000001 mm. Der Durchmesser der Elementarteilchen Neutronen und Protonen ist noch ungefähr 100 000-mal kleiner. Atomtheorie, die; von Demokrit ca. 400 v. Chr. aufgestellt und von Dal­ ton 1805 wieder verwendet. Besagt, dass ein Element aus gleichen, nicht mehr teilbaren Atomen besteht. Ers­ te Form eines Teilchenmodells. Brown’sche Bewegung, die; Zitter­ bewegung von Staubteilchen in der Luft. Erklärbar durch die regellosen Zusammenstöße der Staubkörnchen mit den sich bewegenden Luftteil­ chen. 1827 von Robert Brown durch die unregelmäßige Bewegung von Pollenkörnern in Wasser entdeckt. Diffusion, die; (lat., „Auseinander­ fließen“), die Ausbreitung eines Stoffes in einem anderen Stoff, z. B. von Parfum in der Luft. Erklärbar durch die Bewegung der kleinsten Teilchen. Haarröhrchenwirkung, die; auch Kapillarwirkung genannt. Die Ver­ änderung der Flüssigkeitshöhe in engen Rohren. Benetzende Flüssig­ keiten wie Wasser steigen hinauf, nicht benetzende Flüssigkeiten wie Quecksilber sinken ab. Beruht auf den Kräften zwischen den Flüssig­ keitsteilchen untereinander sowie zwischen den Flüssigkeitsteilchen und den Teilchen des Feststoffes. Das Aufsaugen von Wasser durch Tücher oder Papier sowie das Aufsteigen von Wasser im Erdboden und in den Pflanzen sind Beispiele für die Haarröhrchenwirkung. Ion, das; (griech., „das Wandernde“), elektrisch geladene Atome oder Atomgruppen. Eine der drei Arten von kleinsten Stoffteilchen. Klebstoff, der; Klebstoffe sind Fest­ stoffe, die eine Verbindung zwischen verschiedenen Teilen bewirken. Müssen in Form von Lösungen verwendet werden, damit die Kleb­ stoffteilchen nahe genug zu den Teil­ chen der Bruchstücke kommen kön­ nen. Klebstoffe werden heute nicht nur im Haushalt verwendet, sondern etwa auch beim Bau von Flugzeugen und Autos. Kohäsion, die; (lat., „Zusammen­ haften“), Anziehungskräfte zwischen gleichen Teilchen eines Stoffes. dert das Einsinken von nicht zu schweren Gegenständen ins Wasser, bewirkt die Tropfenform von kleinen Flüssigkeitsmengen, ermöglicht die Ausbildung von Seifenblasen und das Überfüllen von Wassergläsern. Waschmittel verkleinern die Ober­ flächenspannung von Wasser. Die Waschmittelteilchen schieben sich an der Oberfläche zwischen die Was­ serteilchen und verkleinern dadurch die Anziehungskräfte zwischen den Wasserteilchen. Löten, das; die Verbindung zweier Metalle durch eine Metallschmelze, die beim Abkühlen erstarrt. Als Löt­ metall wird häufig Zinn verwendet. Wichtige Methode zur Verbindung von elektrischen Leitern. Modell, das; ein Hilfsmittel, um komplizierte Vorgänge oder Sachen besser verstehen zu können. Schwer Überschaubares wird dabei vereinfacht dargestellt. Ein bemaltes Kunststoffherz ist ein Anschauungs­ modell. Der Vergleich des Herzens mit einer Pumpe ist ein Funktions­ modell. Modell der kleinsten Teilchen, das; Annahme, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen. Bei den Edelgasen sind die kleinsten Teilchen Atome, bei Wasser und den meisten anderen Flüssigkeiten Moleküle. Bei festen Stoffen können es große Moleküle sowie Atome, Moleküle oder Ionen in einer Raumgitter­ anordnung sein. Molekül, das; (lat., „kleine Masse“), kleinste Teilchen aus mehreren Atomen. Oberflächenspannung, die; Ge­ samtkraft aus den Kräften zwischen den kleinsten Teilchen an der Ober­ fläche einer Flüssigkeit, vergleichbar einer Flüssigkeitshaut. Während die Anziehungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen im Inneren einer Flüssigkeit sich gegenseitig auf­ heben, wirkt auf die Teilchen an der Flüssigkeitsoberfläche eine nach innen gerichtete Kraft. Die Oberflächenspannung verhin­ MEV Verlag/Wassertropfen Adhäsion, die; (lat., „Aneinander­ haften“), Anziehungskräfte zwischen Teilchen von verschiedenen Stoffen. Teilchenkräfte, die; Kräfte zwischen den kleinsten Teilchen eines Stoffes. Sie sind nur in der sehr kurzen Entfer­ nung von etwa einem Teilchen­ durchmesser wirksam. Sie erklären die Eigenschaften der Stoffe in den drei Zustandsformen. Manchmal werden die Kräfte zwischen den gleichen kleinsten Teilchen eines Stoffes auch Kohäsionskräfte und zwischen den kleinsten Teilchen von verschiedenen Stoffen auch Adhäsionskräfte genannt. Teilchenmodell, das; Annahme, dass alle Stoffe aus Teilchen bestehen. Die Atomtheorie und das Modell der kleinsten Teilchen sind zwei Arten von Teilchenmodellen. Atome beste­ hen aus den Elementarteilchen Pro­ ronen. tonen, Neutronen und Elekt­ Während viele Eigenschaften der Stoffe wie Zustandsform, D ­ iffusion, Lösen von Stoffen, Haarröhrchen­ wirkung und Ober­flächenspannung sehr gut durch das Modell der kleinsten Teilchen beschrieben werden können, ist zur Erklärung anderer Eigenschaften wie Elektri­ zität oder Bindungskräfte der Auf­ bau der Stoffe aus den Elementar­ teilchen zu berücksichtigen. 82 06945_Buch.indb 82 16.01.14 09:04 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen Wärmedehnungen können große Kräfte verursachen: Dehnungsfugen bei Gebäuden und Straßenpflastern verhindern unerwünschte Risse. Dehnungsfugen bei Eisenbahnschienen sind im Sommer kleiner als im Winter. Die Wärmebewegung der Stoffteilchen setzt Gasbehälter unter Druck. Der Druck entsteht durch die Stöße der Gasteilchen auf die Behälterwand. Je höher die Temperatur, desto stärker der Druck. Ein Kühlschrankthermometer: Der Zeiger ist mit einem spiralig gewickelten Bimetallstreifen verbunden. Die Wärmedehnung lässt den Zeiger wandern. Ein digitales Thermometer: Der Temperaturfühler erfasst die Wärmebewegung von Stoffteilchen. Hochspannungsleitungen hängen im Sommer stärker durch als im Winter: Die heftigere Bewegung der Stoffteilchen führt zur Ausdehnung der Metallseile. Obendrauf Viktor, Gnas; ProjectPhotos; Klebe Aluminiumfolie und Papier gut zusammen. Ein Streifen davon wird spiralig gewickelt. Er verhält sich ähnlich wie ein Stück Bimetall. Die Spirale dreht sich beim Erwärmen. 83 06945_Buch.indb 83 16.01.14 09:04 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen Das Geheimnis der sich selbst öffnenden Tempeltüren Gebannt starrt die betende Menge zum Eingang des Tempels. Die kahl geschorenen Priester haben auf dem Altarstein vor der altägyptischen Kultstätte zu Ehren der Fruchtbar­ keitsgöttin ein Feuer entfacht. Plötzlich ächzen die Tore und – wie von Geisterhand bewegt – öffnen sich die schweren Türflügel. Nach dem Verlöschen des Feuers sehen die staunenden Menschen mit eigenen Augen, wie sich die Tore langsam wieder schließen. Nur wenige wussten damals, dass die Priester nur physikalische Gesetz­mäßigkeiten nutzten, um im Volk als Magier zu gelten. Heron von Alexandria beschrieb im 1. Jahrhundert n. Chr., was sich die Priester ausgedacht hatten: Der Opferstein war hohl. Durch das Feuer dehnte sich die Luft im Stein aus und drückte auf das Wasser in einem darunter befindlichen Behälter. Ein Teil des Wassers floss über ein Rohr in ein hängendes Fass, das nun über Seilzüge die Tore öffnete. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Gase dehnen sich beim Erwärmen aus Die Luft im Kolben braucht Platz. Heiße Luft braucht mehr Platz. Nach dem Abkühlen nimmt das Wasser den Platz der verdrängten Luft ein. Wir überprüfen diese Behauptung mit der abgebildeten Versuchs­ anordnung und probieren, eine Erklärung zu finden. Wir wissen bereits, dass die Gas­ teilchen einer ungeordneten Bewegung unterworfen sind. Beim Erwärmen eines Gases fliegen die Teilchen nur schneller als vorher im Raum umher. Sie prallen dabei heftiger aufeinander und wollen einen noch größeren Abstand voneinander einnehmen. Beim Erwärmen entweicht also Luft aus dem Gaskolben. Beim Abkühlen werden die Teil­ chen wieder langsamer und damit auch die Abstände zwischen ihnen kleiner. Die im Kolben verbliebene, jetzt abgekühlte Luft benötigt nun weniger Platz als am Beginn des Versuchs. Es herrscht Unterdruck. Der äußere Luftdruck lässt das gefärbte Wasser so lange im Kolben hochsteigen, bis der Druck innen und außen gleich ist. Die Abstände der Gasteilchen innerhalb und außerhalb des Kolbens sind nun wieder gleich. 84 06945_Buch.indb 84 16.01.14 09:04 teMPerAtur uNd AuSdeHNuNG VON StOffeN Übungen 1 N2 E Stelle dir die Gasteilchen so groß vor wie im ersten Kolben dargestellt! Wie würde man sie im erhitzten und wieder abgekühlten Kolben sehen? Zeichne sie dort ein! kalt 2 beim Erhitzen N2 wieder kalt E Bei gewissen Beschwerden des Körpers wird auch heute noch von manchen Ärzten das „unblutige Schröpfen“ vorgeschlagen. Dabei werden Glasgefäße mit erhitzter Luft auf die Haut gesetzt. Beim Abkühlen der Luft wird Blut in die feinsten Blutgefäße gesaugt. Durch diese Reizung sollen die Abwehrkräfte des Körpers gesteigert werden. Wie solche Glasgefäße „saugen“, kannst du in einem Teller mit Wasser überprüfen! 3 N2 Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: ein kleines Trinkglas, ein Feuerzeug, einen flachen Teller mit Wasser E a) Wieso darf man Spraydosen nicht ins Feuer werfen, sondern nur vollständig entleert mit dem Sondermüll entsorgen? b) Was kann passieren, wenn du in einem am Morgen voll gepumpten Schlauchboot bis Mittag in der Sonne liegst? c) Wieso geben die Autofirmen in der Bedienungsanleitung an, der Fahrer soll, wenn notwendig, den Reifendruck vor Antritt der Fahrt und nicht nach längerer Fahrzeit überprüfen? Halte deine Überlegungen dazu fest! a) b) c) 85 06945_Buch.indb 85 16.01.14 09:04 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen Wir wissen ja schon, dass auch Flüssigkeiten und Festkörper aus kleinsten Teilchen bestehen. Im Unterschied zu Gasen „berühren“ einander hier zwar die Teilchen, aber sie sind ebenfalls in Be­ wegung. Bei Flüssigkeiten ist diese Bewegung mehr oder weniger regellos und nicht ortsgebunden. Bei Festkörpern sind den Teilchen bestimmte Plätze zugewiesen. Wird Wärme zugeführt, so wird die Teilchenbewegung (wie bei Gasen) heftiger. Die Teilchen be­ rühren einander zwar immer noch, sie benötigen für ihre Bewegungen aber mehr Platz. Die Stoffe dehnen sich aus. Beim Abkühlen geschieht es umgekehrt: Die Teilchen werden langsamer, der Platzbedarf wird kleiner. Die Stoffe ziehen sich zusammen. Obendrauf Viktor, Gnas Auch Flüssigkeiten und Festkörper ändern ihr Volumen Die erhitzte Stricknadel dehnt sich und dreht die liegende Nadel mit dem Trinkhalm als „Zeiger“. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Die Volumensänderungen sind mit großen Kräften verbunden Die Wärmeausdehnung des Wassers im Druckboiler wird durch ein besonderes Ventil ausgeglichen. Überschüssiges Wasser tropft ab. Einrichtungen und Konstruktionen der Technik müssen auf Wärmeaus­ dehnung abgestimmt sein: Eisen­ bahngeleise, Betonfahrbahnen und große Wohnblocks haben Dehnungsfugen. Lange Brücken lagern auf Rollen, um die unter­ schiedlichen Längen im Sommer und Winter ausgleichen zu können. Die riesigen, tonnenschweren Heizkessel der modernen Dampf­ kraftwerke sind oft nur an der Oberseite des Kesselhauses befes­ tigt, damit sie sich nach unten dehnen können. Bei längeren Rohr­ leitungen werden Dehnungs­ schleifen eingebaut, um Spannun­ gen „abfangen“ zu können. Obendrauf Viktor, Gnas Der Bergbau war zu der Zeit, als es noch keine Sprengstoffe gab, noch viel mühsamer als heute. In man­ chen alten Bergwerken sieht man noch, wie die Bergleute vorgegan­ gen sind, um auch das härteste Gestein etwas zu lockern: Es wurden in den Stollen kleine Feuer angezündet, die das Gestein erhitzten. Auf den heißen Fels wur­ de dann rasch kaltes Wasser gegos­ sen. Dadurch entstanden winzige Sprünge, die das Weiterarbeiten erleichterten. Die unterschiedliche Ausdehnung zwischen den heißen und kalten Bereichen des Gesteins führte zu Spannungen – der Fels bekam Sprünge. Manche Werkstücke aus sprödem Stahl müssen heute noch zur ­Gänze gleichmäßig erhitzt werden, damit geschweißt werden kann. Dabei muss darauf geachtet werden, dass neben der Schweißnaht die Spannungen nicht zu groß werden und ein Sprung entsteht. Viele Dehnbare Verbindungsstücke aus speziellem Kunststoff sind bei Rohrleitungen in einem Dampfkraftwerk manchmal notwendig. Dehnungsschleifen gleichen Längenänderungen und damit Spannungen bei Rohrbefestigungen aus. 86 06945_Buch.indb 86 16.01.14 09:04 teMPerAtur uNd AuSdeHNuNG VON StOffeN Übungen 4 N2 E Überprüfe die Behauptung, dass sich Flüssigkeiten beim Erwärmen ausdehnen! eine Proberöhre einen Proberöhrenhalter einen passenden, durchbohrten Stopfen mit einem dünnen, langen Glasrohr einen Brenner einen wasserfesten Filzstift Wasser Die Apparatur wird vollständig mit Wasser gefüllt. Nach dem Verschließen wird sie erhitzt. Obendrauf Viktor, Gnas Notiere deine Beobachtungen! Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: Vergleiche den Wasserstand im Röhrchen vor und nach dem Erhitzen. 5 N2 E Wie wird sich die Dehnungsschleife dieser Rohrleitung verändern, wenn heißer Dampf durchgeleitet wird? Zeichne die etwas veränderte Form strichliert ein! 7 N2 6 N2 E Wieso sollten Kraftfahrerinnen und Kraftfahrer vor allem im Sommer niemals volltanken? Suche eine Begründung! E Wieso werden beim Einkochen von Marmelade vor dem Einfüllen der heißen Marmelade die Gläser in warmem Wasser vorgewärmt? Suche eine Begründung! 87 06945_Buch.indb 87 16.01.14 09:04 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Wer siegt im „Dehnungswettstreit“ der Stoffe? Gleiche Mengen an Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, gleichzeitig erwärmt, dehnen sich in gleichem Maß. Wasser, Heizöl und Alkohol (gefärbt) vor und nach dem gemeinsamen Erhitzen Bimetallstreifen biegen sich durch die unterschiedliche Dehnung der beiden Metalle. Erwärmt man gleiche Raumteile verschiedener Gase, wie auf dem ersten Bild zu sehen, so stellt man Folgendes fest: Das gefärbte Wasser in den gebo­ genen Glasröhrchen, das vor dem Erwärmen überall gleich hoch stand, wurde beim Erwärmen durch die Ausdehnung der einge­ schlossenen Gase im gleichen Ausmaß verdrängt: Alle Gase dehnen sich bei gleicher Wärme­ zufuhr gleich stark aus. Füllt man je eine Proberöhre mit Wasser, Alkohol und Benzin und verschließt sie mit einem Stopfen, der ein auf­ gesetztes Glasrohr besitzt, so kann man beim Hineinstellen in heißes Wasser ganz unterschiedliche Aus­ dehnungen beobachten. Wasser dehnt sich am wenigsten aus, Alkohol bereits mehr, Benzin am stärksten. Verschiedene Flüssig­ keiten zeigen also unterschiedliche Ausdehnung. Ein Bimetallstreifen, der – wie der Name sagt – aus zwei verschiede­ nen Metallstreifen besteht, krümmt sich beim Erhitzen ganz deutlich. Dies lässt sich nur so erklären, dass eines der beiden fest miteinander verbundenen Metalle stärker gedehnt wird als das andere. Feststoffe zeigen allgemein unterschiedliche, für jeden Stoff aber ganz bestimmte Wärme­ dehnungen. Gase dehnen sich vergleichsweise am stärksten aus. Messen der Körpertemperatur: Einst mit einem Flüssigkeitsthermometer, jetzt elektronisch. Der Verkauf von Quecksilberthermometern ist seit 2009 in der EU verboten. Obendrauf Viktor, Gnas Wir können den Wärmezustand eines Stoffes nicht genau erfühlen. Wenn du überprüfen möchtest, ob du Fieber hast, so reicht es nicht, die Hand auf deine Stirn zu legen; deine Körpertemperatur muss gemessen werden. Das Messen von Temperaturen geschieht meist so, dass die Wärmeausdehnung von Flüssig­ keiten oder Festkörpern genutzt wird. Bekanntlich heißen solche Instrumente zum Messen der Temperatur Thermometer. Die Skaleneinteilung bei einem Thermometer kann folgender­ maßen gefunden werden: Die Temperatur, bei der Eis schmilzt, ist ein ganz bestimmter gleich­ bleibender Wert. Dieser Schmelzpunkt des Eises wurde in der Celsius-Skala mit null Grad Celsius (0 °C) angenommen. Ebenso ist die Siedetemperatur des Wassers bei gleichen Bedingungen immer gleich. Diesem Siedepunkt Obendrauf Viktor, Gnas Wie funktionieren Thermometer? Überlastungsschutz: Der erhitzte Bimetallstreifen hebt den Kontakt und unterbricht den Stromkreis. Das Zündholz dient dem Größenvergleich. des Wassers wurden 100 °C zuge­ ordnet. Wenn man die Ausdeh­ nungsstrecke der Thermometer­ flüssigkeit zwischen diesen beiden Punkten in 100 Teile teilt, ergibt ein Teilstrich genau 1 °C. Bei der Kelvin-Skala wurde der so­ genannte absolute Nullpunkt von –273 °C mit null Kelvin festgelegt. 100 °C ergeben somit bereits 373 Kelvin. Genauso, wie man die jeweilige Ausdehnungsstrecke einer Thermo­ meterflüssigkeit einer bestimmten Temperatur zuordnen kann, lässt sich die jeweilige Krümmung einer Bimetallspirale mit einer bestimmten Temperatur in Beziehung setzen. Wenn die Temperatur ein Maß für den Wärmezustand eines Stoffes ist, so misst man mit dem Thermo­ meter indirekt auch das Ausmaß der Teilchenbewegung in einem Stoff. 88 06945_Kern_04_Kapitel_3.indd 88 20.01.14 07:47 teMPerAtur uNd AuSdeHNuNG VON StOffeN Übungen 8 N2 E „Papiermetall“ oder Bimetall Klebe die Alufolie vollflächig und faltenlos auf das Papier und lasse den Kleber trocknen! einen Klebestift einen Bleistift Schneide einen schmalen Streifen ab und wickle ihn so auf einen Bleistift, dass das Papier außen ist! Obendrauf Viktor, Gnas etwas Aluminiumfolie ein Feuerzeug Obendrauf Viktor, Gnas ein Blatt Papier eine Schere Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: Ziehe den gerollten Streifen zu einer Art Papierschlange! Erhitze vorsichtig! Notiere deine Beobachtung! Was dehnt sich stärker: Aluminium oder Papier? Was geschieht beim Abkühlen? 9 N2 E Wir eichen unser „Thermometer“! Du brauchst: die bereits bekannte Proberöhre mit Stopfen und Glasrohr, ein Thermometer bis 100 °C, einen Proberöhrenhalter, einen Filzstift, ein Becherglas mit Eis und Wasser, ein Glas mit Heißwasser, Heizöl Überzeuge dich, dass keine offenen Flammen vorhanden sind, und fülle die Proberöhre randvoll mit Heizöl. Setze den Stopfen mit Glasrohr so auf, dass bereits ein bisschen Heizöl im Röhrchen sichtbar ist. Stelle die Apparatur ins Eiswasser. Markiere nach einiger Zeit den Flüssigkeitsstand und notiere die Wassertemperatur! Die Teile. Markiere den Eispunkt! Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Stelle das Thermometer und die Proberöhre in das heiße Wasser. Nach einiger Zeit werden wieder Temperatur und Flüssigkeitsstand festgehalten. Versuche eine Skalenteilung zu finden! 89 06945_Buch.indb 89 16.01.14 09:04 teMPerAtur uNd AuSdeHNuNG VON StOffeN K N O B E L I X 1 N2 E Der Eiffelturm wächst im Frühjahr! Wir wissen, dass sich Feststoffe, auch Eisen, bei Erwärmung ausdehnen. Ein Eisenstab von 1 m Länge dehnt sich bei Erwärmung um 1 °C um einen bestimmten Betrag, den wir aus verschiedenen Lexika oder dem Internet heraussuchen können. Im Sommer kann der Eiffelturm mit ca. 300 m Höhe auf +40 °C erwärmt werden. Im Winter kann er durchaus –10 °C haben. Um wie viel ist der Eiffelturm im Sommer höher, wenn du den im Lexikonteil angegebenen Wert für die Ausdehnung von Eisen zur Berechnung heranziehst? 2 N2 W Diagramme begleiten unser Leben! Eine Hobby­Wetterforscherin liest viermal am Tag die Temperaturwerte ab. Ihr sehr genaues Thermometer bietet ihr dabei jedesmal ein anderes Bild. Wie könnte das Diagramm für den betreffenden Tag ausgesehen haben? Die Temperaturschwankungen werden wie bei einer Fieberkurve, bei der die Messwerte durch eine Linie miteinander verbunden werden, dargestellt. 22˚ 22˚ 22˚ 22˚ 21˚ 21˚ 21˚ 21˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 19˚ 19˚ 19˚ 19˚ 18˚ 18˚ 18˚ 18˚ 6 Uhr 12 Uhr 30 K 25 K 20 K 15 K 10 K 17˚ 17˚ 17˚ 17˚ Temperatur in °C Verwende im Diagramm anstelle der Celsius-Skala die Kelvin-Skala und vergleiche die Kurven! 17 Uhr 22 Uhr 5 K 0 6 12 18 24 Zeit 90 06945_Buch.indb 90 16.01.14 09:04 teMPerAtur uNd AuSdeHNuNG VON StOffeN K N O B E L I X 3 N2 E Der gescheite Koch Ein gescheiter Koch besitzt drei gleich große Töpfe, einen aus Aluminium und zwei aus Eisen. In den Töpfen befinden sich exakt die gleichen Mengen an Wasser und Alkohol, wie in der Zeichnung dargestellt. Die drei Töpfe werden ganz gleich erwärmt, ohne dass aus den Töpfen etwas verdampfen kann. Der Koch behauptet, dass nach dem Erwärmen der Flüssigkeitsspiegel in allen drei Gefäßen verschieden hoch sei. Wo ist er am höchsten? Hat er recht? A m B Eisentopf mit Wasser Eisentopf mit Alkohol Wo am tiefsten? m C Aluminiumtopf mit Wasser Begründe deine Vermutung! 4 N2 E Die Türen schließen sich. Die von Heron von Alexandria beschriebenen Tempeltüren haben sich nach dem Verlöschen des Feuers wieder von selbst geschlossen. Wie lässt sich das erklären? Nimm die Zeichnung auf Seite 84 zur Hand und überlege! Kurz zusammengefasst ‘ Gase dehnen sich beim erwärmen aus. die Gasteilchen bewegen sich schneller und sind bestrebt, einen größeren Abstand voneinander zu haben. ‘ Auch flüssigkeiten und festkörper dehnen sich beim erwärmen aus. unterschiedlich starke Wärmedehnungen innerhalb eines festkörpers können zu großen Spannungen führen. ‘ die temperatur ist ein Maß für den Wärmezustand und damit für das Ausmaß der teilchenbewegung in einem Stoff. die temperaturmessung erfolgt mit dem thermometer. Meist sind flüssigkeits­ und bimetall­ thermometer in Verwendung. 91 06945_Buch.indb 91 16.01.14 09:04 Temperatur und Ausdehnung von Stoffen Lexikon Ausdehnung, die; man versteht darunter die Vergrößerung des Volumens eines Stoffes bei gleichbleibender Masse. Alle Gase dehnen sich z. B. pro Grad Celsius um 1 273 ihres Volumens aus, wenn der Druck gleich bleibt. Feststoffe und Flüssigkeiten dehnen sich weniger stark aus als Gase. Ein Eisenstab von 1 m Länge wird pro 1 °C um ca. 0,01 mm ­ luminiumstab länger. Ein 1 m langer A dehnt sich um 0,024 mm pro 1 °C. Thermochromie, die; Eigenschaft mancher Stoffe, bei Temperatur­ änderungen bestimmte Farben anzunehmen. Als Farbstifte können solche Stoffe z. B. auf Maschinen Überhitzungen anzeigen. Ähnliche Eigenschaften nutzt man bei Fieber-Schnelltest-Streifen, die man auf die Haut legen kann. Celsius, Anders; schwedischer Astronom, * 27. 11. 1701, Uppsala, † 25. 4. 1744; beteiligte sich an der Erdvermessung in Lappland und Peru, woraus sich die Erkenntnis der Erdabplattung ergab. Er teilte das Quecksilberthermometer zwischen dem Gefrierpunkt bzw. dem Siedepunkt des Wassers in 100 Grade, setzte den Siedepunkt aber mit 0° an. Erst später wurde der Gefrierpunkt mit 0 °Celsius (abgekürzt: 0 °C) festgelegt. Kelvin, Lord; englischer Physiker, nach dem die Skala der absoluten Temperatur benannt ist. Sein ursprünglicher Name ist Sir William Thomson (1824–1907). Er entwickelte u. a. zahlreiche physikalische Messinstrumente. Temperatur, die; eine Größe, die festlegt, ob ein Körper wärmer oder kälter ist als ein anderer. Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegung der kleinsten Teilchen eines Stoffes. Temperaturregler, der; Vorrichtungen, die automatisch eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten. Sie werden auch Thermostate genannt. Einfache Temperaturregler haben einen Streifen aus Bimetall, der sich bei Temperaturänderung verbiegt und damit eine Heiz- oder Kühl­ anlage aus- und einschalten kann. Bei komplizierteren Reglern dehnt sich in einem Temperaturfühler eine Flüssigkeit, die über einen hohlen Draht auf einen verstellbaren Schalter drückt. Thermoelement, das; Anordnung aus zwei verschiedenen Metallen, die miteinander in einem Stromkreis verbunden sind. Erwärmt man eine der Verbindungsstellen, so fließt ein elektrischer Strom, der umso größer ist, je höher der Temperaturunterschied zwischen den Kontaktstellen der Metalle wird. Als Thermometer können Thermoelemente von ­–250 °C bis 1 600 °C eingesetzt werden. Thermometer, das; (griech.; „Wärmemesser“), Gerät zum Messen der Temperatur. Ausdehnungsthermometer beruhen auf der Ausdehnung von Flüssigkeiten bei steigender Temperatur. Quecksilber als Thermometerflüssigkeit kann von –38 °C bis ca. 650 °C verwendet werden. Für °C tiefere Temperaturen bis –110 kann gefärbter Alkohol eingesetzt werden. Beim Fieberthermometer bewirkt eine Verengung der Kapillare, dass der Quecksilberfaden beim geringsten Abkühlen abreißt, so dass die gemessene Temperatur auch nach dem Entfernen aus der Achselhöhle oder aus dem Mund angezeigt bleibt. Das Maximum-Minimum-­ Thermometer zeigt die höchste bzw. tiefste Temperatur an, die innerhalb eines Zeitraumes erreicht wurde. Bei Erwärmung schiebt eine sich stark dehnende Flüssigkeit einen Quecksilberfaden mit einem Eisenstäbchen vor sich her, das beim Zurück­ weichen des Quecksilbers nicht mehr mitgezogen werden kann. Gleich­zeitig wird durch den mit der Flüssigkeit zurückwandernden Quecksilberfaden ein zweites Eisenstäbchen mitgeschoben. Die tiefste Temperatur bleibt angezeigt, weil bei Temperaturerhöhung die ausdehnende Flüssigkeit das Stäbchen nicht mittransportieren kann. Die Stäbchen können nach dem Ablesen der Temperatur durch eine spezielle Vorrichtung wieder zum Quecksilber geführt werden. Wegen des Quecksilbers darf diese Art von Thermo­ metern seit 2009 in der EU nicht mehr verkauft werden; alte Geräte darf man weiter verwenden. Ein modernes Max‐Min‐Thermometer ist ein Widerstandsthermometer mit elektronischer Speicherung der Temperaturen. MAXIMA Die tiefsten erreichbaren Tempe­ raturen liegen bei einigen Tausendstel Kelvin, die höchsten bei einigen Millionen Kelvin. MINIMA Absolute Temperatur, die; Temperaturangabe nach der von Lord Kelvin aufgestellten Temperaturskala, der Kelvin-Skala. Sie ist statt auf den Gefrierpunkt des Wassers (0 °C) auf den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin = –273,15 °C) bezogen. Diese Temperatur kann man in der Praxis nicht ganz erreichen. Bei 0 Kelvin hört die Teilchenbewegung der Stoffe auf. Um Celsius-Grade in Kelvin umrechnen zu können, muss man zur Temperatur in Celsius-Graden nur ­ 273,15 dazuzählen. Null Grad Celsius sind also bereits 273,15 Kelvin, 100 °C sind 373,15 K. Will man Kelvin in Celsius umrechnen, muss man von der angegebenen Temperatur 273,15 abziehen. 293,15 K sind z. B. 20 °C. 50 Flüssigkeit Eisenstäbchen 30 40 20 30 10 20 0 10 10 20 Quecksilber 0 C 10 30 20 40 30 50 Widerstandsthermometer, das; das Widerstandsthermometer nützt die Tatsache, dass Metalle (meist Platin) bei höherer Temperatur dem elektrischen Strom einen höheren elektrischen Widerstand entgegensetzen. Dieser Widerstand wird gemessen und in geeigneter Form direkt in einer Temperaturskala zur Anzeige gebracht. 92 06945_Kern_04_Kapitel_3.indd 92 20.01.14 07:47 Schall ... hörenswert, manchmal lästig und sogar schädlich Das Sprechen versetzt die gespannte Schnur zwischen den Bechern in Schwingungen und überträgt so den Schall zum Becher des anderen Kindes. Im „stillen“ Wald gibt es viele Töne, Klänge und Geräusche, die aber sehr angenehm sind. Viele Menschen müssen beim Arbeiten an lauten Maschinen einen Gehörschutz tragen. Straßenlärm ist ein wirres Gemisch aus heftigen Schwingungen, die von unterschiedlichen Schallquellen stammen. Dauernder Straßenlärm ist gesundheitsschädlich. Sanftes Reiben mit einem angefeuchteten Finger lässt das dünnwandige Weinglas hörbar schwingen. Wolfbauer Michael, Graz; panthermedia.net/Elena Elisseeva; MEV Verlag/Innerhofer Photodesign; MEV Verlag/Witschel; MEV Verlag/Krieger; Wolfbauer Michael, Graz Musik ist eine Kombination aus (meist) angenehmen Klängen. 93 06945_Buch.indb 93 16.01.14 09:04 Schall Eingefrorene Töne Einmal musste ich mit der Schlitten­ post reisen. In einem Hohlweg, der kein Ende nehmen wollte, bat ich den Postillion, mit seinem Horn ein Signal zu blasen, damit wir nicht etwa mit einem Fuhrwerk zusammen­ stießen. Er setzte das Posthorn an die Lippen und blies aus Leibeskräften hinein. Aber so sehr er sich auch anstrengte, es kam kein Ton heraus! Trotzdem erreichten wir die nächste Post­station gesund und munter und beschlossen Rast zu machen. Der Postillion hängte sein Horn an einen Nagel beim Küchenfeuer und wir setzten uns zum Essen. Auf einmal erklang’s „Tereng, tereng, tereng!“ Wir sperrten die Ohren auf und machten große Augen. Dann merkten wir, warum der Postillion nicht blasen hatte können. Die Töne waren im Horn festgefroren! Nun tauten sie nach und nach auf und es wurde ein richtiges Tafelkonzert daraus. (Nach: „Münchhausen“, nacherzählt von Erich Kästner) Schall – was ist das? Schallquelle 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Schallempfänger 10 Schallleiter Schallquellen sind rasch schwingende, elastische Körper. Das Hören ist für den Menschen ein sehr wichtiger Sinneseindruck. Es trägt nicht nur zu seiner Sicherheit, sondern auch zum Wohlbefinden oder Unbehagen bei. Außerdem ist es uns durch das Hören und auch durch das Sehen möglich, mit der Umwelt Kontakt aufzunehmen. Alles Hörbare bezeichnen wir als Schall. Die Ursache für den Schall Schall kann nur mithilfe eines Schallleiters an unser Ohr transportiert werden. ist eine Schallquelle, die durch ihre Schwingungen Schallwellen e­ rzeugt. Die Schallquelle kann einen Ton, einen Klang, ein Geräusch oder einen Knall erzeugen. Ein Ton entsteht durch regelmäßige Schwingungen, ein Klang durch das Zusammenwirken mehrerer Töne. Unregelmäßige Schwingungen bezeichnen wir als Geräusche. Ein Knall ist ein kurzzeitiger und starker Schalleindruck. Die meisten Schalleindrücke sind Geräusche. Ohne Stoffteilchen keine Schallleitung In den meisten Fällen überträgt die Luft den Schall zu unserem Ohr. Die Schallquelle verdünnt und verdich­ tet durch ihre Schwingungen die angrenzende Luft. Die Luftteilchen geraten dadurch in Schwingungen. Es entstehen Druckwellen, die sich gleichmäßig von der Schallquelle wegbewegen. Die Luftteilchen bleiben dabei am Ort. Die hörbaren Druckwellen heißen Schallwellen. Ohne Stoffteilchen gibt es somit auch keine Schallwellen. Das Welt­ all ist daher „schalltot“. Auch andere Stoffe leiten den Schall. Die störenden Geräusche, die z. B. in Wohnhäusern und Fahrzeugen zu hören sind, werden haupt­ sächlich durch feste Stoffe wie Metalle, Beton, Glas, Holz, Ziegel … übertragen. Man spricht von Körperschall. Auch der Körper­ schall pflanzt sich als Druckwelle fort. Wasser ist auch ein guter Schall­ leiter. 94 06945_Buch.indb 94 16.01.14 09:04 SCHALL Übungen 1 N2 E Befestige ein Kunststofflineal mit einer kleinen Schraubzwinge an der Tischkante und lass es schnellen! 01 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Sind auch andere Tonhöhen möglich? Unterscheide zwischen Lautstärke und Tonhöhe! 2 N2 E Wir basteln eine „Schallkanone“. Du brauchst: eine Pappröhre einen Gummiring einen Luftballon eine Kerze Zündhölzer Begründe! 3 N2 Die Flamme zittert durch das Antippen der Membran. E Körperschall ist sehr unangenehm! Halte das Ende einer Eisenstange (z. B. Stativstange) an dein Ohr und schlage das andere Ende mit einem Bleistift leicht an! 95 06945_Buch.indb 95 16.01.14 09:04 Schall Wie schnell ist der Schall? Geübte Beobachterinnen und Beobachter von Gewittern wissen es: Wenn zwischen Blitz und Donner drei Sekunden vergehen, dann war der Blitz rund einen Kilometer vom Standort entfernt. Messungen ergeben bei 20 °C und trockener Luft eine Schall­ geschwindigkeit von 344 m / s. In Flüssigkeiten und Festkörpern erfolgt die Ausbreitung schneller (Tabelle im Lexikonteil). Das Echo – eine Laune der Natur Du musst mindestens 17 m von der Felswand entfernt sein, um ein Echo hören zu können. Schiffe haben ein Echolot, um die Wassertiefe festzustellen. Geologinnen und Geologen erforschen mit ähnlichen Methoden die Erdkruste. Ebenso, wie eine Wasserwelle von einer Kaimauer zurückgeworfen wird, werden auch Schallwellen von großflächigen Hindernissen reflektiert. Das kann eine Felswand, eine Schlossmauer oder ein Wald­ rand sein. Das menschliche Ohr kann Schalleindrücke nur dann voneinander trennen, wenn sie 1 s Abstand auf­ mit mindestens 10 einander folgen. Den so zu unserem Ohr gelangenden Schall bezeichnet man als Echo. In leeren Zimmern hört man nur den Nachhall, weil der Zeitunterschied 1 s ist. kleiner als 10 Hoch und tief – laut und leise Das kurz eingespannte Lineal voll­ führte schnelle Schwingungen und gab einen hohen Ton von sich, das länger eingespannte Lineal klang tiefer. Die Schwingungen waren langsamer. Die Tonhöhe eines Schalleindrucks wird nämlich durch die Frequenz bestimmt, mit der die Schallquelle schwingt. Unter Frequenz versteht man die Anzahl der Schwingungen der Schallquelle oder der Schallwelle in einer Sekunde. Die Frequenz wird in Hertz (nach H. Hertz, einem deutschen Physi­ ker) angegeben. 1 Hertz (1 Hz) bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. Viele Stimmgabeln schwingen mit genau 440 Hertz (Hz). Sie führen also 440 ganze Schwingungen in der Sekunde aus. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch der Ton. Schlägst du die Stimmgabel kräftiger an, so hörst du sie bloß lauter. Die Schwingungsweite bewirkt die Lautstärke. Je größer die Schwingungsweite der Schall­ wellen ist, desto größer ist auch die Lautstärke. Pendel Schwingungen Verschieden hoch – aber gleich laut Verschieden laut – aber gleich hoch Eine Schwingung besteht aus einer ganzen Hin- und Herbewegung. 96 06945_Kern_04_Kapitel_3.indd 96 16.01.14 10:13 SCHALL Übungen 4 N2 S Zwischen Blitz und Donner vergehen 5 Sekunden. Wie weit bist du vom Blitz entfernt? 5 N2 W Hoch – tief, laut – leise Entscheide! Denke an den Versuch mit dem eingespannten Lineal! m m m m a) Ton a) ist höher als Ton b). Ton b) ist leiser als Ton d). b) Ton c) ist gleich laut wie Ton a). Ton b) ist höher als Ton a). c) d) 6 N2 S Musikinstrumente erkennt man an ihrer Klangfarbe. Die Klangfarbe ist eine Folge von zusätzlichen Schwingungen, die für jedes Instrument typisch sind. Wenn du mit der Flöte einen Ton spielst, ist das nun (streng genommen) ein Ton oder ein Klang? 7 N2 W Die Physikerin, der Physiker unterscheidet zwischen Ton, Klang, Geräusch und Knall. Ein ton ist eine einfache Schwingung, ein Klang ist eine regelmäßige Schwingung, die durch das Zusammenwirken von Tönen entsteht, Geräusche sind unregelmäßige Schwingungen, ein Knall ist ein kurzzeitiger, heftiger Schall. Ordne die Begriffe den Zeichnungen zu! 97 06945_Buch.indb 97 16.01.14 09:04 Schall Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Von Flöten, Gitarren und anderen Instrumenten Die Tonhöhe einer Saite hängt vom Material, von der Dicke ... Schallquelle Klavier Saiten Gitarre Saiten Geige Saiten Flöte Luftsäule Orgelpfeife Luftsäule Trompete Luftsäule Becken (Tschinelle) Platte Xylofon Stäbe Triangel Stab Trommel Membran Saiten können durch Streichen, Zupfen oder Schlagen zum Schwin­ gen gebracht werden. Die Tonhöhe bzw. Frequenz hängt von der Länge, der Spannung, der Dicke und vom Material der Saite ab. Vereinfacht kann man sagen: Je kürzer und dünner eine Saite und je stärker sie gespannt ist, desto höher ist ihr Ton (ihre Frequenz), wenn sie schwingt. Schwingende Luftsäulen in Flaschen Luftsäulen werden durch Anblasen zum Schwingen gebracht. Ähnlich wie bei schwingenden Saiten gilt: Je kürzer die schwingende Luft­ säule ist, desto höher ist der Ton. Jedes Musikinstrument klingt auf seine Weise, es hat eine Klangfarbe. Die Klangfarbe entsteht dadurch, dass bei jedem Instrument ganz ty­ pische höhere Töne mitschwingen. Wolfbauer Michael, Graz Instrument Wolfbauer Michael, Graz Alle Musikinstrumente haben eines gemeinsam: Sie geben bei richtigem Gebrauch angenehme Töne und Klänge von sich. Unter­ schiedlich beschaffen sind die eigentlichen Schallquellen. Dies können Saiten, Luftsäulen, Stäbe, Platten, Membrane … sein: ... und von der Spannung ab. Bei Lautsprechern kannst du die Schwingungen fühlen. Die wahrgenommene Tonhöhe wird dadurch nicht beeinflusst. Die menschliche Stimme entsteht auf sehr komplizierte Weise m ­ ithilfe der Stimmlippen, deren scharfe Ränder als Stimmbänder ­bezeichnet werden. Beim Sprechen und Singen werden durch kleine Muskeln die Stimmbänder in verschiedene Stellungen gebracht, wodurch die Ausatemluft in Schwingungen versetzt wird. Die Stimmbänder schwingen zwar dabei auch, tönen aber selbst nicht. Lautsprecher gehören sicherlich nicht zu den Musikinstrumenten, sie geben Musik, Sprache oder Geräusche nur wieder. In ihnen wird eine Membran durch elektro­ magnetische Vorgänge in Schwingungen versetzt. 98 06945_Buch.indb 98 16.01.14 09:04 SCHALL Übungen 8 N1 E Der Ton wird duch das Niederdrücken der Saite … m m m m leiser, höher, lauter, tiefer, Wolfbauer Michael, Graz weil 9 N1 E Der Ton wird durch das Zuhalten von Löchern … m m m m leiser, höher, lauter, tiefer, Wolfbauer Michael, Graz weil 10 N2 E Fülle Proberöhren auf ähnliche Weise mit Wasser und blase sie an! Ordne nach der Tonhöhe! m m m m m m A A BA BA B B CB CB C C DC DC D D ED ED E E FE FE F F F 99 06945_Buch.indb 99 16.01.14 09:04 F Schall Ein umweltfreundlicher, weil leiser Kompressor Der menschliche Organismus leidet auf Dauer durch zu starke Schalleinwirkung. Das Trommelfell und die Gehörknöchelchen als Überträger der Schwingungen werden mechanisch stark beansprucht und nützen sich vorzeitig ab. Hörschwächen bis zur Taubheit sind die Folge. Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz Lärm macht krank! Schallschutzwände sollen den Straßenlärm für die Bewohnerinnen und Bewohner der dahinterliegenden Häuser erträglicher machen. Ständiger Lärm führt auch zu anderen Erkrankungen wie Nervosität und Schlafstörungen. In vielen Bereichen des Lebens versucht man schon, den Lärm zu verringern: Kompressoren werden gekapselt, Fußböden und Fenster schallgedämmt, Straßen mit Schallschutzwänden abgeschirmt … Alle diese Maßnahmen können aber nicht greifen, wenn nicht jede und jeder Einzelne maßvoll mit Schallquellen umgeht. Hörbereich und Schallmessung liche Ohr verschiedene Frequen­ zen nicht gleich laut empfindet. Um Lautstärken vergleichen zu können, hat man sich auf Zahlen­ werte geeinigt, die die Bezeich­ nung Dezibel (dB) tragen. Unerwünschter Lärm kann schon ab 45 dB gesundheitsschädlich sein, solcher über 85 dB ist es auf Dauer ganz sicher. Einige Werte: Hörschwelle Fledermäuse orientieren sich mit Ultraschall. dB 0 Gedämpfte Unterhaltung 40 Lautes Sprechen 70 Pkw (7 m entfernt) 80 Motorrad (7 m entfernt) 85 Jet (200 m entfernt) 115 Diskothek (bis zu ...) 120 Schmerzgrenze 130 ÖAMTC Oberösterreich, Linz Der junge Mensch hört Schwin­ gungen in einem Frequenzbereich zwischen 16 Hz und ca. 20 000 Hz, der ältere Mensch häufig nur bis 10 000 Hz und darunter. Es gibt allerdings viele Tiere, so auch den Hund, die Töne oberhalb unseres Hörbereiches wahr­ nehmen können. Bei Schallmessungen muss man be­rücksichtigen, dass das mensch­ Schallmessungen an einem Motorrad 100 06945_Buch.indb 100 16.01.14 09:04 SCHALL Übungen 11 N2 E Nicht nur den Luftschall muss man dämpfen … Du brauchst: einen Kochtopf (dickwandig), eine Wolldecke, einen Wecker 1 Ergebnis: 2 3 Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz 1 + 2: Ergebnis: 4 12 N2 Wolfbauer Michael, Graz Wolfbauer Michael, Graz 3 + 4: W Estriche werden „schwimmend“ betoniert. Erkläre anhand der Zeichnung, was das bedeutet! Randstreifen Estrich Trittschalldämmplatten Betondecke 13 N2 W Rohre, die durch Decken führen, werden nicht dicht einbetoniert, sondern vorher mit einer Manschette aus Dämmstoff umgeben. Begründe diese Maßnahme! 101 06945_Buch.indb 101 16.01.14 09:04 Knobelix-Akustik SCHALL K N O B E L I X 1 N2 W Könnten sich Astronautinnen und Astronauten auf dem Mond ohne Sprechfunk verständigen? Begründe deine Antwort! 2 N2 W Eine Wanderin entdeckt ein zweifaches Echo. Das erste Echo erreicht sie nach 3 s, das zweite nach 4 s. Welche Schlüsse kann man daraus ziehen? 3 N2 W Ein Zimmerer hämmert im Sekundenabstand. Wie weit ist er von uns entfernt, wenn Hammergeräusch und sichtbare Bewegung zugleich erfolgen? (Mehrere Ergebnisse möglich!) 4 N2 W Das Echolot eines Schiffes zeigt eine Wassertiefe von 240 m an. Wie groß war die Laufzeit des Schalls? 5 N2 W Eine Antwort ist richtig! m m m Die Luftteilchen bewegen sich mit der Schallwelle weiter. Die Luftteilchen bewegen sich in der Schallwelle überhaupt nicht. Die Luftteilchen führen in der Schallwelle kurzzeitige Hin­ und Herbewegungen in der Richtung des Schalls aus. 102 06945_Buch.indb 102 16.01.14 09:04 SCHALL K N O B E L I X 6 N2 E Welche Saite wird am tiefsten, welche am höchsten klingen? Kreuze an! Am höchsten: Am tiefsten: 7 N2 m m m m m m 8 S Welche Art der Schallübertragung überwiegt? Entscheide! Körperschall Luftschall Lautsprecher m m Geräusche aus der Nachbarwohnung m Geräusche einer Zentralheizung N2 S Technische Maßnahmen vermindern den Körper­ oder Luftschall. Entscheide! Körperschall Luftschall 3­Scheiben­Fenster m m m Gummilager einer Maschine m m m m Dämmplatten im Estrich m m Presslufthammer m m Gehörschutzwand m m Auspuffgeräusch m m Kurz zusammengefasst ‘ Alles Hörbare wird als Schall bezeichnet. die ursache des Schalls ist eine Schallquelle, die Schallwellen abstrahlt. Alle Stoffe leiten den Schall mittels druckwellen weiter. ‘ die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt rund 340 m / s. 1 das echo ist reflektierter Schall, dessen Laufzeit mindestens 10 s beträgt. unter frequenz versteht man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. 1 Hertz (1 Hz) bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. die tonhöhe ist von der frequenz, die Lautstärke von der Schwingungsweite der Schallwelle abhängig. ‘ Musikinstrumente erklingen durch schwingende Saiten, Luftsäulen, Stäbe, Platten, Membrane … ‘ Lärmvermeidung und Schalldämmung erhalten unsere Gesundheit. Schallmessungen erfolgen in dezibel (db). dauerschall über 85 db ist für die Gesundheit schädlich. 103 06945_Buch.indb 103 16.01.14 09:04 Schall Lexikon deutschen Physiker Heinrich Hertz, der im 19. Jahrhundert gelebt hat. membran, geht ein Schallwechseldruck aus, der sich durch die Luft zum Ohr fortpflanzt. Infraschall, der; ist ein für den Menschen unhörbarer, aber teilweise unangenehm spürbarer Schall unter 16 Hz. Schallpegel, der; ist das in Dezibel (dB) angegebene Verhältnis einer Schallgröße zu einer gleichartigen Bezugsgröße. Für den Menschen ist die Hörschwelle die Bezugsgröße. Die Hörschwelle ist die Grenze der Hörbarkeit bei 1 000 Hz Frequenz. Klangfarbe, die; entsteht durch ein Gemisch an Obertönen, die für ein Instrument typisch sind. Musik­ instrumente kann man an ihrer Klangfarbe erkennen. Compact-Disk, die; kurz CD; Schallplatte, deren Musikinformation in digitaler Form in Millionen mikroskopisch feinen Vertiefungen gespeichert ist. Die Abtastung erfolgt berührungslos mit einem Laserstrahl. Die CD ist ein Tonträger. Schallplatte, die; plattenförmiger Speicher für Schallereignisse. Die Informationen sind als Vertiefungen gespeichert, die mit einem Ton­ abnehmer abgetastet werden. Wolfbauer Michael, Graz Obertöne, die; sind ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz oder eines Grundtones. ­Musikinstrumente entwickeln für sie typische Ober­ töne, die die Klangfarbe bewirken. Stimmgabel, die; Gerät, das durch Anschlagen mit einer Frequenz von 440 Hz schwingt. Der Kammerton a’ hat 440 Hz. Es gibt auch Stimm­ gabeln in anderen Tonhöhen. Oszilloskop, das; Gerät mit einer Elektronenstrahlröhre oder einem modernen Flachbildschirm als Anzeige. Schwingungen verschiedener Art können mit dem Oszilloskop dar­ gestellt werden (Schallschwingungen, elektrische Schwingungen …). Tonband, das; eigentlich Magnettonband. Informationsträger mit magnetisierbarer Schicht für die Aufzeichnung von Tonsignalen. Das Tonband ist ein Tonträger. Fürnstahl Horst, Graz DVD, die; Abkürzung für Digital Versatile (engl.; vielseitig) Disc. DVDs sind Discs in CD-Größe mit hoher Speicherkapazität für Video, Multimedia, Spiele und Audio. Die DVD hat das Videoband abgelöst. Zum Abspielen benötigt man einen DVD-Player. Hertz, das; internationale Bezeichnung für die Einheit der Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde), Abkürzung Hz; nach dem Schalldruck, der; entsteht bei der schwingenden Bewegung fester Körper. Von einer solchen Schallquelle, z. B. einer Lautsprecher­ Wolfbauer Michael, Graz Eine DVD kann derzeit auf einer Seite bis zu 4,7 GB (Single Layer – eine Speicherschichte) oder 8,5 GB (Double Layer – zwei Speicherschichten) speichern. Resonanz, die; ist eine Schallerscheinung, bei der eine Schallquelle einen Körper bei einer bestimmten Frequenz zum Mitschwingen anregt, obwohl es keine starre Verbindung zwischen Schallquelle und Körper gibt. Im Alltag sind Resonanzen unerwünscht: Die Karosserie eines Autos darf durch das Brummen des Motors nicht zum Schwingen angeregt werden. Auch darf die Wandverkleidung in einem Opernhaus niemals mitschwingen. Wolfbauer Michael, Graz Blue-Ray Disk, die; kurz BD; digitales optisches Speichermedium. Nachfolger der DVD mit deutlich höherer Speicherkapazität und Datenrate (Geschwindigkeit bei der Datenübertragung). Die BD wird für Filme in höchster Wiedergabequalität verwendet. Der Name Blue‐Ray leitet sich von der violetten Farbe des Abtast‐Lasers ab. Tonträger, die; Vorrichtungen zum Speichern von Tonaufnahmen. Schallplatte, Compact-Disk, Tonband und DVD sind Tonträger. Ultraschall, der; als Ultraschall bezeichnet man Schall mit einer Frequenz über dem Hörbereich des Menschen. Der Hörbereich eines Erwachsenen endet nach oben bei ca. 16 000 Hz, bei Kindern bei ca. 20 000 Hz. Fledermäuse orientieren sich mit Ultraschall. Schallgeschwindigkeiten: Luft (20 °C) 343 m / s 1 485 m / s Wasser (20 °C) ca. 5 200 m / s Glas ca. 5 000 m / s Eisen Holz ca. 3 400 m / s 104 06945_Kern_04_Kapitel_3.indd 104 20.01.14 07:48 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Mit Flüssigkeiten lassen sich Kräfte übertragen. Maschinen oder Roboter können durch hydraulische Anlagen gesteuert werden. In der „Libelle“ einer Wasserwaage zeigt eine Gasblase genau die waagrechte Lage an. Mit einer Senkwaage (Aräometer) lässt sich die Dichte einer Flüssigkeit messen. Ein einfaches Aräometer kannst du dir selbst bauen. Lies nach auf Seite 113! Erhöht man den Druck auf die Flüssigkeit, wird die Luft im Ballon zusammengedrückt und er sinkt. In einer Flüssigkeit nimmt der Druck mit der Tiefe zu. Der Taucher kann diesem Druck nur deshalb standhalten, weil die Pressluft aus der Tauchflasche in seinem Körper einen Gegendruck aufbaut. Obendrauf Viktor, Gnas; MEV Verlag/GEWA Fotodesign; Obendrauf Viktor, Gnas; MEV Verlag/Kerpf; MEV Verlag/Schulz Durch Bewegungen erhält der Schwimmer einen dynamischen Auftrieb. 105 06945_Buch.indb 105 16.01.14 09:04 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Ein schwieriger Fall für „Kommissar“ Archimedes König Hieron von Syrakus ließ sich eine neue Goldkrone anfertigen und beauftragte Archimedes fest­ zustellen, ob die gelieferte Krone wirklich aus reinem Gold bestehe. Dabei durfte er die Krone nicht beschädigen. Archimedes fand lange Zeit keine Lösung. Als er eines Tages in eine bis zum Rand volle Bade­wanne stieg und das über­ laufende Wasser sah, soll er mit einem Freudenschrei aus der Wanne gesprungen und nackt durch die Straßen zum Königspalast gelaufen sein. Dabei rief er immer wieder: „Ich hab’s! Ich hab’s gefunden!“ Im Palast brachte er die zu untersuchende Krone und einen Klumpen reinen Goldes auf einer Waage ins Gleich­ gewicht. Dann tauchte er die an der Waage hängenden Körper in ein Gefäß mit Wasser. Wenn die Krone und der Goldklumpen aus dem gleichen Material gewesen wären, dann hätte auch im Wasser weiterhin Gleichgewicht bestehen müssen. So aber senkte sich die Seite mit dem Goldklumpen. Daraus schloss Archimedes, dass dem Kronengold leichteres Metall hinzugefügt worden war, wodurch das Volumen der Krone vergrößert wurde. Auf dem Wasser kann man nicht gehen kleiner als bei Festkörpern sind. Sie passen sich daher auch jeder Ge­ fäßform an und bilden waagrechte und ebene Oberflächen. Obendrauf Viktor, Gnas Wenn du über den Rand eines Schwimmbeckens hinausgehst, versinkst du im Wasser. Flüssig­ keitsteilchen sind leicht verschieb­ bar, weil die Teilchenkräfte sehr viel Waagrechte Oberflächen von Flüssigkeiten Kannst du ein rohes Ei zusammendrücken? Gleichmäßige Druckausbreitung in einem Dressiersack Obendrauf Viktor, Gnas Hydraulische Pressen und Brems­ anlagen, Landwirtschafts- und Baumaschinen nützen die Kraftübertragung mithilfe von Flüssigkeiten. Die physikalische Größe „Druck“ gibt uns an, wie groß die Druck­ kraft ist, die auf eine bestimmte Fläche (m2, dm2, cm2) wirkt. Druck = Kraft pro Fläche. Obendrauf Viktor, Gnas Wenn du es ganz mit deiner Hand umschließt, gelingt es dir nicht. Das Ei ist mit Flüssigkeit gefüllt und die lässt sich nicht zusammen­ drücken. Eingeschlossene Flüssig­ keiten können außerdem eine auf sie ausgeübte Kraft nach jeder Richtung weiterleiten, sodass auf jedes Teilchen und auf die Gefäßwand eine Druckkraft wirkt. Dies erklärt sich durch die freie Beweglichkeit der Flüssigkeits­ teilchen, die jeder Kraft auszu­ weichen versuchen und sie auf die Nachbarteilchen übertragen. Hydraulischer Presskolben und hydraulische Leitungen 106 06945_Buch.indb 106 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN Übungen 1 N2 S Vervollständige die durch einen Punkt angedeutete Oberfläche der Flüssigkeiten und färbe den Inhalt! 2 N2 S Auf den 2 cm2 großen Kolben eines mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes wirkt eine Druckkraft von 10 N. 10 N Welche Druckkraft wirkt auf jeden cm2? 5N 2 cm2 5N 5N 4 cm2 3 5N 5N N2 5N 5N Wie groß ist der Druck? N / cm2 5N Wie groß ist die Druckkraft auf den 4 cm2 großen Boden? 5N 5N E Schau genau auf die Zeichnung! Wenn der Kolben A gedrückt wird, drückt der Kolben B gegen die Schachtel. B A Kreuze an! Die Kraft bei B ist am größten, wenn die Spritzen und der Schlauch mit m Wasser, m Luft, m Luft und Öl, m Wasser und Luft gefüllt sind. Die Kraft bei B ist am geringsten, wenn die Spritzen und der Schlauch mit m Luft, m Wasser und Luft, m Wasser, m Öl und Luft gefüllt sind. 107 06945_Buch.indb 107 16.01.14 09:04 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Obendrauf Viktor, Gnas Schicht um Schicht mehr Gewichtskraft Der Druck entsteht durch die Gewichtskraft der übereinander liegenden Wasserschichten. Er nimmt mit der Tiefe und mit der Dichte der Flüssigkeit zu. In einer Tiefe von 20 m ist der Druck auf den Brustkorb einer Taucherin, eines Tauchers so groß, als ob ein Pkw auf ihr bzw. ihm lasten würde. Damit der Brustkorb nicht ein­ gedrückt wird, muss die Taucherin, der Taucher einen gleich großen Gegendruck aufbauen. Dazu atmet sie bzw. er Pressluft aus einer mitgeführten Stahlflasche ein. Österreich Werbung MEV Verlag/Erhard Schulz; Mit zunehmendem Schweredruck erhöht sich die Spritzweite. Beim Tauchen spürst du einen Druck auf das Trommelfell. Je tiefer du tauchst, desto stärker wird er. • Tiefseetaucherinnen und -tau­ cher benutzen daher besonders druckfeste Tauchgeräte, um sich gegen den hohen Druck zu schützen. • Eine Staumauer muss unten dicker sein als oben, um dem zunehmenden Wasserdruck standzuhalten. • … Der Druck entsteht durch die Gewichtskraft der Wasserteilchen. Ein Staudamm Füllstandsanzeiger eines Milchtanks Wenn du Wasser brauchst, ent­ nimmst du es der Wasserleitung. Weißt du auch, woher es kommt? Oft sind es viele Kilometer bis zum Wasserbehälter und zur Quelle. Alle Verbraucher sind durch Rohr­ leitungen miteinander verbunden. Umgekehrt verläuft der Weg des Abwassers. Aus allen Kanälen wird es gesammelt und einer Kläranlage Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Ohne Wasser kein Leben Ein u-förmiges Rohr als Geruchsverschluss zugeführt. Wasserleitung und Kanalisation sind verbundene Flüssigkeitsnetze. Diese werden verbundene Gefäße genannt. Sie begegnen uns im Alltag recht häufig: Bei Kaffee- und Gießkannen, Springbrunnen, Schlauchwaagen, Wasserstandsanzeigern, Geruchs­ verschlüssen und Schiffsschleusen. In all diesen verbundenen „Gefä­ ßen“ steht das Wasser gleich hoch und bildet waagrechte Ober­ flächen. Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Seine Reinhaltung gehört zu den größten Aufgaben unserer Zeit. Überlege, was du selbst zum Wasserschutz beitragen kannst! 108 06945_Buch.indb 108 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN Übungen 4 N2 E Zeichne ein, wie deiner Meinung nach das Wasser aus den Öffnungen spritzt! 5 N2 E Was meinst du? Der Druck des Wassers auf die Münze auf dem Boden der Gefäße ist … … in m am größten. … in m am kleinsten. … in gleich groß. … m in allen Gefäßen gleich groß. A B C D 6 N2 E F S Zeichne Wasser ein und färbe den Inhalt! Kennst du diese verbundenen Gefäße? 109 06945_Buch.indb 109 16.01.14 09:04 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Stärker als ein Riese PK DK Obendrauf Viktor, Gnas DZ PZ Hydraulische Stützen in einem Bergwerk Gelingt es dir, mit bloßen Händen den Saft aus einem Apfel zu pres­ sen? Eine hydraulische Presse schafft dies spielend mithilfe von Flüssigkeiten. Auf diese Weise wer­ den auch Weintrauben, Papier, Stroh, Schrott und Stahlbleche für Karosserieteile gepresst. Die Presse besteht aus zwei mitei­ V V Skizze einer hydraulischen Presse nander verbundenen zylindrischen Gefäßen von verschiedenen Quer­ schnitten, in denen sich zwei Kol­ ben bewegen können. Das Innere ist mit Wasser oder Öl gefüllt. Die am größeren Kolben wirkende Kraft hängt vom Unterschied der Kolbenflächen ab. Ist die Presskol­ ­0-mal benfläche beispielsweise 5 größer als die Druckkolbenfläche, wird auch die wirkende Kraft auf das Fünfzigfache gesteigert. Aber: Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren. Um in unserem Beispiel den Presskolben 1 cm hochzudrücken, muss der Druckkolben 50 cm niedergedrückt werden. Druckkraft und Druck Wenn im Winter der Schnee tief und locker ist, sinken wir beim Gehen ein. Stellen wir uns auf ein Brett oder schnallen wir uns Skier an, verteilt sich das Körper­gewicht auf eine größere Fläche und der Druck wird geringer. • Fahrzeuge haben breite Reifen, manche sogar Raupenketten. • Ist jemand im Eis eingebrochen, nähert man sich liegend. • … Verkleinert man hingegen die Fläche, erhöht sich der Druck: • Ein zugespitztes Holzstück lässt sich leichter in den Boden schlagen als ein stumpfes. • Nägel und Nadeln sind spitz. • … Je größer die Kraft und je kleiner die Fläche, desto größer ist der Druck. Um den Druck zu berechnen, divi­ diert man die gesamte Druckkraft durch die gedrückte Fläche. Der Druck wird mit dem Kleinbuchsta­ ben p (engl. pressure) bezeichnet. Druck = Druckkraft Fläche p = F A Die gesetzlich festgelegte Druck­ einheit ist das Pascal (Pa): 1 Pa = 1 N / m2 1 Pa ist die Kraft von 1 Newton, verteilt auf 1 m2. In der Technik wird der Druck meist in bar angegeben: 1 bar entspricht dem Gewichts­ druck von 1 kg auf 1 cm2. Geräte zur Druckmessung nennt man Manometer. 1N Obendrauf Viktor, Gnas 10 N Eine große Auflagefläche verhindert das Einsinken. 1m 2 1 cm 2 1 Pascal 1 bar 110 06945_Buch.indb 110 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN Übungen 7 N2 E Baue eine hydraulische Presse! Du brauchst: zwei Spritzen verschiedener Größe einen passenden Verbindungsschlauch Obendrauf Viktor, Gnas Fülle Wasser in den Schlauch und drücke gleichzeitig auf beide Kolben! Drücke mit einer Mitschülerin, einem Mitschüler um die Wette! Wer ist stärker? Nimm verschieden schwere Gegenstände und versuche, sie einmal mit dem kleineren, dann mit dem größeren Kolbengriff wegzudrücken. Was konntest du beobachten? 8 N2 E Überprüfe Druck und Druckkraft! Du brauchst: einen gut gespitzten Bleistift, Plastilin, verschiedene Gegenstände Halte den Bleistift (einen Nagel, eine Stecknadel …) mit der Spitze über das Plastilin und lege ein Buch darauf! Probiere mit verschiedenen Gegenständen und notiere deine Beobachtungen! 9 N2 E Betrachte die Skizze! Ein Körper übt auf eine Fläche Druckkraft aus. 900 N Wie groß ist die Druckkraft? Wie groß ist die gedrückte Fläche? Wie viel Kraft entfällt auf jeden m2? Wie groß ist dann der Druck in Pascal? p = Pa Gib den Druck in bar an! 1m 1 m2 1m 111 06945_Buch.indb 111 16.01.14 09:04 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Im Wasser bist du stärker Du hast sicherlich schon die Erfah­ rung gemacht, dass Gegenstände unter Wasser leichter sind. Daran ist die Auftriebskraft schuld. Schon Archimedes fand heraus, dass die Auftriebskraft eines ­Körpers in einer Flüssigkeit gleich der Gewichtskraft der Flüssigkeit ist, die er verdrängt. Daraus folgt: • Der Auftrieb ist umso größer, je mehr Flüssigkeit ein Körper verdrängt. Ein Plastilinklumpen geht unter; formt man aus ihm ein Schiffchen, schwimmt er. Jeder Körper wird in einer Flüssigkeit scheinbar leichter. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas • Der Auftrieb ist in schweren Flüssigkeiten größer. Das Was­ ser des Toten Meeres enthält besonders viel Salz; ein Mensch kann sich darin ohne Schwimm­ bewegung über Wasser halten. Das Plastilinboot schwimmt, weil es mehr Wasser verdrängt. Sinken, Schweben und Schwimmen Steine sinken im Wasser sofort, Kork schwimmt, manch feuchtes Holz schwebt. Auf jeden Körper wirken in einer Flüssigkeit zwei Kräfte: die Gewichtskraft nach un­ ten und die Auftriebskraft nach oben. die Dichte von Flüssigkeiten bestimmen. So lassen sich sehr einfach der Fett­ gehalt der Milch, der Alkohol- und Zuckergehalt von Flüssigkeiten, der Säuregehalt der Autobatterie und die Frostsicherheit des Kühl­ wassers feststellen. Gewichtskraft und Auftriebskraft bestimmen das Verhalten des Körpers. Obendrauf Viktor, Gnas Derselbe Körper taucht in verschie­ denen Flüssigkeiten verschieden tief ein, weil er einen unter­ schiedlichen Auftrieb erfährt. Man kann daher an der Eintauchtiefe von Senkwaagen (Aräometern) Obendrauf Viktor, Gnas • Ist die Gewichtskraft größer als die Auftriebskraft, sinkt der Körper. • Ein Körper schwebt, wenn Gewichtskraft und Auftriebs­ kraft gleich groß sind. • Überwiegt die Auftriebskraft, ragt der Körper so weit aus der Flüssigkeit heraus, dass die ver­ bleibende Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft des Körpers ist. Diesen Zustand bezeichnet man als Schwimmen. Eine Senkwaage 112 06945_Buch.indb 112 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN Übungen 10 N2 E Obendrauf Viktor, Gnas Baue ein Aräometer! Du brauchst: einen Trinkhalm Plastilin ein Lineal einen Filzstift ein Gefäß Salz Spiritus Obendrauf Viktor, Gnas Die Teile. Schneide etwa 7 cm vom Trinkhalm ab und gib so viel Knetmasse daran, dass er schwimmt, wie es das Foto zeigt. Bringe eine Skala an! Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Wasser: Gib deine Senkwaage in verschiedene Flüssigkeiten und schreibe die Eintauchtiefe auf! Salzlösung: Spiritus: Milch: (Bereite verschiedene Flüssigkeiten zu und lasse sie von einer Mitschülerin, einem Mitschüler „erkennen“!) 11 N2 Fruchtsaft: E Überprüfe die Schwimmfähigkeit verschiedener Körper! Du brauchst: ein Gefäß, verschiedene Gegenstände Verwende auch Gegenstände, von denen du dir nicht sicher bist, ob sie auf Wasser schwimmen. Verändere die Flüssigkeiten (gib Salz dazu …) oder tausche sie aus! Verändere, wo dies möglich ist, auch die Gegenstände: Forme aus Alufolie ein Schiffchen und drücke es anschließend ganz fest zusammen! Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein! Gegenstand schwimmt Korkverschluss X schwimmt nicht flüssigkeit Wasser 113 06945_Buch.indb 113 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN K N O B E L I X 1 N2 E Du siehst hier ein einfaches Modell einer hydraulischen Presse. Wie viele 100-g-Massestücke kann der Presskolben heben? Ergänze! Fläche des Druckkolbens: 10 cm2 Fläche des Presskolbens: 2 N2 E Bei welcher Anordnung ist der Druck auf die Unterlage am größten m, bei welcher am kleinsten m? 1 kg 1 kg 1 kg 15 cm 2 A 3 N2 2 cm2 1 cm2 B C E Überlege wie Archimedes! Die Waage wird mit den Massestücken in einen Wasserbehälter gestellt. Wie verhält sich der Waagebalken dann? Zeichne! ? 100 g Eisen 100 g Eisen ? 100 g Aluminium 100 g Eisen 114 06945_Buch.indb 114 16.01.14 09:04 druCK uNd Auftrieb iN fLüSSiGKeiteN K N O B E L I X 4 N2 E Berechne die fehlenden Werte für Kraft und Weg bei der hydraulischen Presse! fläche des druckkolbens fläche des Presskolbens druck­ kraft Press­ kraft Weg des druckkolbens Weg des Presskolbens a) 10 cm2 60 cm2 200 N N 24 cm cm b) 20 cm2 2 000 cm2 20 N N 100 cm cm c) 30 cm 600 cm N 4 000 N cm 2 cm 5 N2 2 2 E Eine 1 m2 große Eisenplatte liegt auf dem Grunde eines 10 m (15 m, 36 m) tiefen Sees. Überlege! Wie viel m3 Wasser enthält die Wassersäule über der Platte? ( , ) Wie viel Liter Wasser sind das? ………………………………………. ( , ) Welcher Masse entspricht das? ……………………………………… ( , ) Wie groß ist die Gewichtskraft? ……………………………………… ( , ) Wie groß ist der Druck in Pascal? ……………………………………. ( , ) Wie groß ist der Druck in bar? ………………………………………. ( , ) Kurz zusammengefasst ‘ die teilchen einer flüssigkeit sind gegenseitig leicht verschiebbar. eine flüssigkeit passt sich der form eines jeden Gefäßes an, bildet waagrechte Oberflächen und ist kaum zusammendrückbar. in eingeschlossenen flüssigkeiten pflanzt sich eine wirkende Kraft nach allen Seiten in gleicher Größe fort. der druck gibt an, welche druckkraft auf eine flächeneinheit wirkt. ‘ der druck in einer ruhenden flüssigkeit nimmt mit der tiefe zu. er hängt nur von der Höhe der flüssigkeitssäule und von der dichte der flüssigkeit ab. in verbundenen Gefäßen und röhren stehen die flüssigkeitsspiegel gleich hoch. ‘ in hydraulischen Anlagen werden durch flüssigkeiten Kräfte übertragen: eine kleine Kraft an einer kleinen Kolbenfläche erzeugt eine große Kraft an einer großen Kolbenfläche. druck = druckkraft pro flächeneinheit druckeinheit: 1 Pa; 1 Pa = 1 N pro m2; 1 bar = 100 000 Pa 0,001 bar = 1 mbar (1 Millibar) = 100 Pa = 1hPa (1 Hektopascal) ‘ in einer flüssigkeit wirkt auf jeden Körper eine Kraft nach oben, die man Auftrieb nennt. die Auftriebskraft ist so groß wie die Gewichtskraft der vom Körper verdrängten flüssigkeitsmenge. ein schwimmender Körper taucht so tief ein, bis Gewichtskraft und Auftriebskraft gleich groß sind. Mit einem Aräometer lässt sich die dichte einer flüssigkeit bestimmen. 115 06945_Buch.indb 115 16.01.14 09:04 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Lexikon Archimedes, griechischer Mathe­ matiker und Physiker; lebte von 287–212 v. Chr. in Syrakus auf der Insel Sizilien. Er entdeckte wichtige mathematische und physikalische Grundgesetze wie die Berechnung des Kreises, die Gesetze des Schwer­ punktes, der schiefen Ebene, des Hebels und des Auftriebs; erfand unter anderem den Brennspiegel, den Flaschenzug, die ­Wasserschraube und baute große Maschinen zum Bewegen schwerster Lasten. Cartesianischer Taucher, der; ein Körper, der in seinem Inneren eine Luftblase einschließt. Seine mittlere Dichte ist ein wenig kleiner als die Dichte von Wasser, sodass er in einem Wassergefäß oben schwimmt. Verschließt man das Gefäß mit einer Membran (= elastische Haut) und übt man darauf einen Druck aus, wird die Luftblase etwas zusammen­ gedrückt. Dadurch erhöht sich die mittlere Dichte des Tauchers und er sinkt nach unten. Beim Nachlassen des Druckes steigt er wieder oder er schwebt: In ihm spielen sich ähnliche Vorgänge wie bei einem Fisch ab. Hydraulische Bremse, die; häufig verwendete Vorrichtung zum Bremsen von Kraftfahrzeugen. Die wichtigsten Teile einer Innenbacken­ bremse sind der Hauptzylinder (H), die Radzylinder (R), die Rohrleitun­ gen (RL), die Bremstrommel (BT) und die Bremsbacken (BB). Unterseeboot, das; abgekürzt U-Boot; ein Schiff, das durch Ein­ lassen von Wasser tauchen kann. Zum Auftauchen muss das Wasser mit Druckluft aus den Behältern gepumpt werden. R RL H Ventil, das; Vorrichtung an Kesseln oder Leitungen, die sich durch den Druck der darin befindlichen Gase oder Flüssigkeiten selbsttätig öffnet oder schließt. Beispiele: Fahrrad­ ventil, Druckkochtopfventil. BT BB Hydrostatik, die; Lehre vom Verhal­ ten ruhender Flüssigkeiten. Nach dem wichtigsten Gesetz der Hydro­ statik ist der Druck im Inneren einer Flüssigkeit, infolge der Beweglich­ keit der Teilchen, nach allen Seiten gleich. Wasserversorgung, die; umfasst die Gewinnung und Zuleitung von Trink- und Nutzwasser. Der tägliche Wasserbedarf liegt zur Zeit bei 150– 200 Litern pro Kopf. Sehr groß ist der industrielle Wasserbedarf. Zur Er­ zeugung von 1 kg Kunststoff werden 500 L, von 1 kg Papier bis zu 3 000 L Wasser benötigt. Der Bedarf an Trink­ wasser wird heute etwa zur Hälfte aus dem Grundwasser, zu einem Drittel aus Quellwasser und zu rund 15 % aus dem Oberflächenwasser von Flüssen und Seen gedeckt. Ober­ flächenwasser muss durch Filtration (Sand- und Kohlefilter) und Zugabe von Chemikalien (Soda, Chlor, Ozon) aufbereitet werden. Das Wasser wird vom Wasserwerk in ein Rohrnetz (Wasserleitung) geleitet und von den Hauptleitungen zu den einzel­ nen Verbrauchern abgezweigt. Zur Reserve und zum Druckausgleich dienen Wassertürme. Hydrostatisches Paradoxon, das; die Tatsache, dass der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit nur von der Tiefe und der Dichte und nicht von der Gefäßform abhängt. Kläranlage, die; Becken- und Filter­ anlage zur Reinigung von Schmutzwasser. Das Abwasser wird zuerst durch Rechen grob gereinigt, dann in das Klärfaulbecken geleitet, wo durch Zusatz von Fäulnis­ bakterien das Wasser gereinigt wird. Das entstehende Faulgas wird zur Energiegewinnung, der Faul­ schlamm als hochwertiger Dünger verwendet. Obendrauf Viktor, Gnas Abwasser, das; durch Gebrauch ver­ unreinigtes oder aus Niederschlägen stammendes Schmutzwasser; ent­ hält Regenwasser, verunreinigtes Wasser aus dem Haushalt, Ausschei­ dungen von Mensch und Tier und industrielle Abwässer; gefährlich durch Krankheitserreger und Chemi­ kalien. In Städten ist die Abführung (durch Kanäle) von größter Wichtig­ keit, da es sonst zur Ausbreitung von Krankheiten (Seuchen) kommen kann. Abwasser muss vor Einleitung in Flüsse in Kläranlagen gereinigt werden. Pascal (Pa), das; abgeleitete Einheit des Drucks. Sie wurde nach dem Mathematiker und Physiker Blaise Pascal benannt, der von 1623 bis 1662 in Frankreich lebte. Ein Pascal ist der Druck, den eine Kraft von einem Newton auf eine Fläche von einem Quadratmeter ausübt. Wasserwaage, die; Hilfsgerät im Bauhandwerk, um die waagrechte oder senkrechte Lage von Flächen und Kanten zu prüfen. Sie besteht aus einer Holz- oder Metallschiene, in die eine kleine Libelle (Flüssig­ keitswaage) eingebaut ist. Diese besteht aus einem geschlossenen Glasröhrchen, das mit Alkohol so weit angefüllt ist, dass nur eine kleine Luftblase übrig bleibt. Befindet sich die Wasserwaage genau in waagrechter Lage, so steht dieses Luftbläschen genau in der Mitte des Röhrchens, bei Abweichung von der Waagrechten verschiebt es sich. 116 06945_Buch.indb 116 16.01.14 09:04 Luftdruck und Auftrieb in Luft Die Ventile des Blasebalgs sind so angeordnet, dass neue Luft z. B. in eine Luftmatratze hinein kann, aber keine Luft herauskommt. Kannst du erkennen, durch welches Ventil die Luft in den Blasebalg gelangt? Auf einen Ballon wirkt ein Auftrieb. Wenn der Ballon leichter ist als die von ihm verdrängte Luft, dann steigt er. Wenn sich Luft bewegt, kommt es bei gewölbten Körpern zu Druckunterschieden. Sie sind die Ursache für Kräfte, die ein Flugzeug „heben“ oder eine Surferin, einen Surfer „ziehen“. Obendrauf Viktor, Gnas; ProjectPhotos; Obendrauf Viktor, Gnas; MEV Verlag/Mayer; Obendrauf Viktor, Gnas; MEV Verlag/Schulz; Luft hat ein Gewicht und übt daher einen Druck aus. Der Luftdruck kann sich verändern. Mit einem einfachen Barometer kannst du die Schwankungen des Luftdrucks beobachten. Schlag nach auf Seite 121! 117 06945_Buch.indb 117 16.01.14 09:04 Luftdruck und Auftrieb in Luft Die Magdeburger Halbkugeln Das Experiment, das Otto von Guericke am 8. Mai 1654 den auf dem Reichstag von Regensburg versammelten Fürsten vorführte, war eine einmalige Sensation für die damalige Zeit. Er ließ zwei genau aufeinander passende und mit einer Dichtung versehene Halbkugeln von 60 cm Durchmesser zu einer Kugel zusammenfügen und dann die Luft durch einen besonders konstruierten Hahn heraussaugen. Man kann sich das Erstaunen der Zuschauer vorstellen, als sie sahen, dass acht, zehn, ja zwölf Pferde, gegeneinander an die beiden Kugelhälften gespannt, nicht imstande waren, die durch den Luftdruck zusammengehaltenen Halbkugeln auseinanderzuziehen. Immer wieder wurde die Zahl der Gespanne erhöht. Bald waren es sechzehn Pferde, welche die Reitknechte mit ihren Peitschen antrieben. Aber so sehr sich die Pferde auch aufbäumten und alle ihre Kraft einsetzten – die Halb­ kugeln gingen um keinen Millimeter auseinander. Noch ein weiteres Gespann wurde angekoppelt. Wie von Zauberhand hielten die Kugeln zusammen. Die Fuhrknechte brüllten und zerrten an den Halftern der Pferde. Zwei weitere Gespanne wurden herangeführt und an beiden Seiten festgemacht. Da endlich geschah es, worauf alle so lange gewartet hatten! Mit einem Knall, als ob ein Flintenschuss abgefeuert würde, trennten sich die beiden Halbkugeln voneinander. (Aus: H. W. Gaebert: „Der große Augenblick in der Technik“) Die Eigenschaften der Gase Wasser lässt sich nur dann einfüllen, wenn die Luft entweichen kann. voller Luftballon ist schwerer als ein leerer. Luft hat eine Masse von 1,3 kg pro m3. Auf jeden m3 Luft wirkt eine Gewichtskraft von 12,68 N. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas henden Raum ganz aus. Ein aufge­ blasener Luftballon lässt sich leicht zusammendrücken, weil die Gas­ teilchen in ihm große Abstände haben und frei beweglich sind. Ein Obendrauf Viktor, Gnas Wenn du einen Luftballon aufbläst, merkst du, dass deine Atemluft einen Druck auf die Haut des Luft­ ballons ausübt. Luft braucht „Platz“ und füllt den zur Verfügung ste­ Luft hat Gewichtskraft. Die Lufthülle der Erde Die Gashülle um die Erde nennt man Atmosphäre. Sie wird von der Erdanziehung zusammengehalten. Ihre Dichte wird mit zunehmen­ dem Abstand von der Erde gerin­ ger. Über einer Höhe von 200 km ist die Lufthülle so dünn, dass künstliche Satelliten nicht mehr durch Luftreibung gebremst wer­ den. Die unterste Schicht, in der sich die Wettervorgänge abspielen, ist 8 bis 17 km hoch und wird Troposphäre genannt. 118 06945_Buch.indb 118 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Übungen 1 N2 E Welche Zeichnung stellt die Teilchen in einem flüssigen m , in einem gasförmigen m Körper dar? A 2 N2 B C E Die Zeichnung zeigt Spritzen, die mit verschiedenen Stoffen gefüllt sind. A (Luft) B (Wasser) D (Speiseöl + Luft) C (Wasser + Luft) Welche Spritze lässt sich am leichtesten m , welche nicht m zusammendrücken? Überprüfe deine Meinung mit einem Versuch! 3 N2 E Betrachte die Zeichnungen genau! Welche Gefäße lassen sich mit Wasser füllen A , welche nicht ? B D C E 119 06945_Buch.indb 119 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Der Luftdruck Obendrauf Viktor, Gnas Tod führen. In Flugzeugen wird durch Druckkabinen ein Luftdruck erzeugt, wie er in rund 2 000 m Höhe herrscht. Ein Modellversuch zu den „Magdeburger Halbkugeln“ Wenn wir einen Unterdruck erzeugen, bemerken wir den Luftdruck. Obendrauf Viktor, Gnas mehr als 10 N / cm2. Auf deinen Kopf wirkt somit eine Kraft von 3 000 N, das entspricht einer Masse von 300 Kilogramm. Wir nehmen diesen großen Druck nicht wahr, weil der äußere Druck in unserem Körper einen gleich großen Gegen­ druck erzeugt. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. So verrin­ gert sich der Normalluftdruck von 1 013 Millibar (mbar) in Meeres­ höhe auf 334 mbar an der Spitze des Mount Everest. Ein längerer Aufenthalt in großer Höhe kann zur Höhenkrankheit und zum Obendrauf Viktor, Gnas Da die Luft eine Gewichtskraft hat, übt sie auf alle Flächen einen Druck aus. Der Druck wirkt wie bei den Flüssigkeiten nach allen Richtungen; daher heben sich die Druckkräfte zumeist auf. Die Größe des Luftdrucks zeigt sich dort, wo er einseitig wirken kann: • Eine Getränkepackung aus Karton knittert, wenn man sie leer saugt. • … Auch auf dem menschlichen Körper lastet die Lufthülle der Erde mit einer Gewichtskraft von etwas Eine implodierte Öldose Obendrauf Viktor, Gnas Wolfbauer Michael, Graz Die Messung des Luftdrucks Ein Dosenbarometer Der Italiener E. Torricelli, ein Schü­ ler Galileis, maß als erster Mensch den Luftdruck. Er verschmolz eine Glasröhre an einem Ende, füllte sie mit Queck­silber, verschloss sie mit dem Daumen und stellte sie mit dem zugeschmolzenen Ende nach oben in ein Gefäß mit Quecksilber. Die Quecksilbersäule sank so weit herab, bis sie im Gleichgewicht mit Ein Barograf dem Luftdruck war. Oberhalb des Quecksilbers war ein luftleerer Raum („Vakuum“) entstanden. Die Quecksilbersäule hatte eine Höhe von etwa 76 cm. Zu seinem Erstaunen bemerkte Torricelli, dass die Quecksilbersäule bei Schönwetter „stieg“ und bei Schlechtwetter „fiel“. Er hatte das erste Barometer gebaut. ca. 10 m Skizze eines Quecksilber- und eines Wasserbarometers 120 06945_Buch.indb 120 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Übungen 4 N2 E Diese Zeichnung zeigt dir stark verkleinert und vereinfacht einen Teil der Erde mit der Lufthülle. Drei Felder sind „luftleer“. A B C Ergänze mit einem Buntstift die „Atmosphäre“ und vergleiche die Luftsäulen über den drei Flächen! Der höchste Luftdruck herrscht über m, der niedrigste Luftdruck findet sich über 5 N2 m. E Hier siehst du die Skizze eines Queck­ silberbarometers, wie es in ähnlicher Weise von Torricelli gebaut wurde. Benenne die Teile und die Kräfte! 6 N2 cm E Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: ein Glas einen Luftballon einen Trinkhalm Klebeband eine Schere Karton Die Teile. Warum sollst du das Barometer an einem Ort mit gleichbleibender Temperatur aufstellen? Beobachte die Veränderungen der Zeigerstellung über längere Zeit und bringe sie in Verbindung mit dem Wetter! Was kannst du feststellen? Obendrauf Viktor, Gnas Baue ein Barometer und beobachte die Luftdruckveränderungen! Verschließe das Glas mit dem Luftballon, fixiere ihn mit einer Schnur und klebe den Trinkhalm mit einem Klebeband fest! Zeichne auf den Karton eine Skala und richte den „Zeiger“ ein! 121 06945_Buch.indb 121 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Die Wirkungsweise eines Trinkhalmes Wenn du einen Trinkhalm verwen­ dest, saugst du Luft aus dem Halm in deine Lunge; dadurch entsteht im Halm ein Unterdruck und der äußere Luftdruck kann das Getränk in deinen Mund drücken. Der Luftdruck ist ein unauffälliger und stets bereiter Helfer. Seine Kraft nützen wir: Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Wir nützen den Luftdruck Ein Saughaken wird durch den Luftdruck festgehalten. Vom Luftdruck frisch gehaltene Lebensmittel bei der Injektionsspritze, beim Saughaken, beim Stech- und Winkelheber, beim luftdichten Verschließen von Lebensmitteln, • beim Zerstäuber und bei Wasserpumpen • … In all diesen Geräten muss zuerst ein Unterdruck entstehen, damit der Luftdruck seine Kraft entfalten kann. • • • • Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Luftpumpen Teile einer Fahrradpumpe Eine Wasserstrahlpumpe Manometer an einer Gasflasche Luftpumpen können Luft verdich­ ten oder verdünnen. Verdichtete Luft braucht man für Bälle, Luft­ matratzen und Schlauchboote, Fahrrad- und Autoreifen, Druck­ luftwerkzeuge und Druckluft­ bremsen. Deine Fahrradpumpe ist eine Verdichtungspumpe. Sie besteht aus einem Pumpenzylinder, in dem sich an einer Kolbenstange ein Kolben mit einer Leder­dichtung bewegen lässt. Beim Nieder­ drücken des Kolbens wird die Luft im Zylinder etwas zusammen­ gepresst. Dabei wird die Leder­ dichtung gegen die Zylinderwand gedrückt und dichtet somit ab. Wenn du den Kolben zurückziehst, klappt die Lederdichtung nach innen und lässt Luft in den Zylinder einströmen. Verdünnungspumpen werden z. B. zur Verpackung („Vakupack“) von Kaffee und Erdnüssen verwendet; keine Luft darf auch in Röntgen­ röhren und Fernsehbildröhren sein. Neben den sehr leistungs­ fähigen elektrischen Pumpen wird die Wasserstrahlpumpe zur Luft­ verdünnung eingesetzt. In ihr reißt ein Wasserstrahl Luftteilchen mit und erzielt so eine Saugwirkung. Der Unterschied zwischen dem erhöhten Gasdruck und dem äußeren Luftdruck wird Überdruck genannt. Man misst ihn mit einem Manometer in der Einheit bar. 122 06945_Buch.indb 122 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Übungen 7 N2 E Kennst du die Geräte, die den Luftdruck nützen? 8 N2 E Die Zeichnung A zeigt dir vereinfacht und vergrößert die Luftteilchen außerhalb des Fahrrades. Welche der anderen Zeichnungen stellt die Teilchen innerhalb des Reifens dar? m A B 9 N2 C D E E Wie verhält sich die elastische Haut des Glasverschlusses beim Verdichten und Verdünnen der Innenluft? Zeichne! 123 06945_Buch.indb 123 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Der Auftrieb in ruhender Luft Fürnstahl Horst, Graz B Fürnstahl Horst, Graz A An der Auftriebswaage An einer Balkenwaage hält der kleine Eisenkörper der großen Glocke, so sinkt die Kunststoffkugel (B). In Luft erfährt die Kugel Kunststoffkugel in Luft das Gleichgewicht (A). Bringt man die einen größeren Auftrieb, weil sie mehr Luft als der kleinere Waage unter eine Glasglocke und pumpt man die Luft aus der Eisenkörper verdrängt. Im Vakuum fallen die Auftriebskräfte weg. Frankreich, Winter 1782: Eine Frau Montgolfier hatte ihren mit Fisch­ beinstäbchen verstärkten Unter­ rock zum Trocknen über den Ofen gehängt. Zur Verwunderung ihres Mannes Joseph Michel Montgolfier bauschte sich der Unterrock immer mehr auf und schwebte schließlich zur Decke. Dort blieb er hängen und konnte erst mit einer Leiter heruntergeholt werden. Monsieur Montgolfier wurde durch diesen Vorfall zum Bau des ersten Heißluftballons angeregt. Wie in Wasser kann auch in Luft ein Körper aufsteigen, schweben oder zu Boden sinken. Es gilt auch hier die Erkenntnis von Archimedes: Jeder Körper erfährt in Luft einen Auftrieb, der der Gewichtskraft der verdrängten Luft entspricht. Je mehr Luft ein Körper verdrängt und je kleiner seine Gewichtskraft ist, umso stärker wirkt auf ihn der Auftrieb. Heißluftballons steigen auf, weil ein Teil der erwärmten Luft entweicht. Dadurch wird die Gewichtskraft kleiner als die Auftriebskraft. Freiballone und Luftschiffe sind mit leichtem Gas (Wasserstoff, Helium) gefüllt. Auftrieb Gewichtskraft des Ballons Tragkraft Vor dem Start wird die Ballonhülle mit einem großen Ventilator auf­ geblasen. Das dauert etwa eine halbe Stunde. Die Ballonhülle richtet sich auf. Die Luft in der Hülle wird mit einer Propangasflamme auf 100 °C erhitzt. Sie dehnt sich aus und wird leichter als die Umgebungs­ luft. Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Heißluftballon – Fertig machen zum Start! Wenn die Auftriebskraft größer ist als die Gewichtskraft des Ballons, steigt er auf. Immer wieder wird die Gasflamme für kurze Zeit gezündet. 124 06945_Buch.indb 124 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Übungen 10 N2 E Mit einer leeren Streichholzschachtel lässt sich ein Modell für ein Plattenventil bauen. Probiere es aus! Schneide den Innenteil so zu, wie es das Foto zeigt! 11 N2 Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas In welchen Geräten könnten sich solche Ventile befinden? Stecke beide Teile zusammen und blase kräftig hinein! Sauge nun Luft aus der Schachtel! E Auf welchen Ballon wirkt der Auftrieb am stärksten? A m C B Luf t Luf t 12 N2 Helium E Die Hülle eines Heißluftballons hat ein Volumen von 3 000 m3. Bei einer Außentemperatur von 20 °C hat die Luft eine Dichte von 1,2 kg / m3. Wenn man die Luft in der Hülle erwärmt, dehnt sie sich stark aus. Pro Grad Temperaturerhöhung nimmt ihr Volumen um ca. 1 / 300 zu. Da die Hülle nicht dehnbar ist, entweicht die Luft aus dem Ballon. A T = 20 °C 3 000 m3 T = 20 °C B T = 20 °C 3 000 m3 T = 90 °C = m3 kg a) Welche Masse hat die Luft in der Hülle bei A? b) Wie viel Kubikmeter Luft entweichen aus der Hülle bei B? Wie groß ist die Masse der entwichenen Luft? c) Wie groß ist die Masse der verbliebenen Luft in der Hülle bei B? d) Um wie viel kg hat sich die Masse des Ballons verringert? e) Die Hülle verdrängt 3 000 m3 Luft. Der Auftrieb ist so groß wie die Gewichtskraft der verdrängten Luft. Berechne ihn! 125 06945_Buch.indb 125 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Pflanzen können „fliegen“ PIX/Faltner Du kennst sicherlich den Samen des Löwenzahns. Wenn du ihn wegbläst, fliegt er. Vom Wind getragen kann er viele Kilometer weit gelangen. Die Samen des Ahornbaumes haben zur Verbreitung einen Tragflügel. Deshalb fallen die Samen nicht senkrecht zu Boden, sondern drehen sich langsam durch die Luft. Bei Wind können die Samen so über eine größere Strecke beför­ dert werden. Samen eines Löwenzahns Vögel können fliegen Otto Lilienthal untersuchte den Vogelflug. Er fand heraus, dass der Anstellwinkel und die Wölbung der Flügel eine besondere Rolle beim Fliegen spielen. Strömt Luft gegen den Flügel, wird sie durch die gewölbte Oberseite zusammengedrängt. Deutsches Museum, München Durch die schräge Stellung des Flügels wird die strömende Luft nach unten abgelenkt. Zeichnung von Lilienthal Das Flugzeug Stehende Flugzeuge verdrängen viel zu wenig Luft, um von selbst hochsteigen zu können. Ein Flug­ zeug muss sich bewegen, damit es fliegen kann. Umströmt Luft die Tragflächen, wirkt der „­dynamische Auftrieb“ auf das Flugzeug. Die Tragflächen haben eine besondere Form: Die Oberseite ist nach oben gewölbt, die Unterseite ist flach. Bei der Bewegung umströmt die Luft die Tragflächen und bewirkt an der Oberseite der Tragflächen einen Unterdruck. Der Luftdruck ­ über der Tragfläche ist somit ­kleiner als der Luftdruck unter der Trag­ fläche. Daraus ergibt sich eine nach oben wirkende Auftriebskraft. Eine zusätzliche Kraft nach oben entsteht durch den Anstellwinkel der Tragfläche. Dadurch wird ein Teil der strömenden Luft nach ­unten abgelenkt. Nach dem Prinzip des Rückstoßes ruft dies eine nach oben gerichtete Kraft hervor. F1 F1-F2 = dynamischer Auftrieb Strömung und dynamischer Auftrieb an der Tragfläche des Flugzeugs Die Tragflächen eines Flugzeugs sind nach oben gewölbt. Fürnstahl Horst, Graz Obendrauf Viktor, Gnas F2 Dynamischer Auftrieb an einem Tragflügelboot 126 06945_Buch.indb 126 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft Übungen 13 N2 E Befestige einen aufgeblasenen Luftballon mit einem Faden auf einem Tisch! Der Ballon soll nur mithilfe eines Föhns gehoben werden. Die Bilder zeigen zwei mögliche Anordnungen. Bei welcher wird das Vorhaben gelingen? m Beschreibe deine Beobachtungen! A B 14 N2 E Fürnstahl Horst, Graz Hast du eine Erklärung dafür, warum der Tischtennisball vom Luftstrom des Föhns nicht weggetrieben wird? 15 N2 E Baue ein Tragflächenmodell! Es zeigt dir den Auftrieb in strömender Luft. Papier eine Schere Krümme die längere Fläche mit einem Bleistift! Ziehe 2,5 cm vom vorderen Rad entfernt den Zwirn durch! Verklebe die Enden! Was stellst du fest? Obendrauf Viktor, Gnas Obendrauf Viktor, Gnas Schneide das Rechteck nach dem Plan aus! Obendrauf Viktor, Gnas Zwirn ein Lineal Obendrauf Viktor, Gnas eine Nadel Klebstoff Obendrauf Viktor, Gnas Du brauchst: Halte den Zwirn etwas schräg und blase von vorne leicht gegen die „Tragfläche“! 127 06945_Buch.indb 127 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft K N O B E L I X 1 N2 E Überlege: Welches Birnbarometer könnte sich in Wien m, m, auf dem Mount Everest m befinden? A auf dem Großglockner 2 N2 B C E Eine kleine Schachtel besitzt zwei Löcher, die mit Papierstreifen so versehen sind, wie es die mittlere Zeichnung zeigt. Zeichne die Stellung der Papierstreifen beim Blasen und beim Saugen! 3 N2 E Wie viel wiegt die Luft in einem Klassenzimmer, das 10 m lang, 8 m breit und 3 m hoch ist? 4 N2 E Ein Quecksilberbarometer zeigt einen Luftdruck von 1 000 mbar. Wie hoch ist die Quecksilbersäule? 5 N2 E Aus einer Metallkugel wird Luft gesaugt. Zu Beginn sind die Druckverhältnisse so, wie es die Pfeile anzeigen. Der runde Ausschnitt zeigt vereinfacht die Dichte der Teilchen. Zeichne ein, was sich durch das Saugen verändert hat! SPÄTER 128 06945_Buch.indb 128 16.01.14 09:05 Luftdruck und Auftrieb in Luft K N O B E L I X 6 N2 E Die Abbildungen zeigen dir jeweils eine Wasserpumpe. 4 4 5 1 2 3 4 5 Saugventil Saugrohr Druckrohr Steigrohr Windkessel 5 3 3 1 1 2 2 Kreuze an! Beim Hochziehen des Kolbens ... Beim Niederdrücken des Kolbens ... m m m m m m m m m m m m m m … wird das Wasser in das Druckrohr gedrückt. … ist das Saugventil geschlossen. … lässt der äußere Luftdruck Wasser hochsteigen. … ist das Saugventil offen. … ist das Druckventil geschlossen. … entsteht im Steigrohr ein luftleerer Raum. … strömt Wasser in den Zylinder. Kurz zusammengefasst ‘ Gasteilchen bewegen sich sehr schnell und füllen jeden Raum aus. Gase lassen sich leicht zusammendrücken. 1 m3 Luft hat eine Masse von 1,3 kg. Die Lufthülle der Erde wird Atmosphäre genannt. ‘ Die Gewichtskraft der Luft übt auf alle Gegenstände einen Druck aus. Der Luftdruck beträgt in Meereshöhe 1 013 Millibar. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. Geräte zur Messung des Luftdrucks heißen Barometer. Barometerarten: Quecksilberbarometer, Dosenbarometer ‘ Die einseitige Wirkung des Luftdrucks nützen wir z. B. beim Winkelheber und beim Konservieren von Lebensmitteln. Luftpumpen verdichten (Fahrradpumpe) oder verdünnen die Luft (Wasserstrahlpumpe). ‘ Beim bewegten Flugzeug bewirken die Stellung und die Form der Tragfläche eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. 129 06945_Buch.indb 129 16.01.14 09:05 Aus der Geschichte der österreichischen Luftfahrt Jakob Degen Degen, Jakob, * 27. 2. 1760 Lie­ dertswil (CH), † 28. 8. 1848 Wien, Pionier der Luftfahrt, Erfinder; flog 1810 mit seinem durch Muskelkraft angetriebenen Schwingenflieger, der an einem Luftballon hing, von Laxenburg nach Vösendorf. Er bau­ te auch ein flugfähiges Hubschrau­ bermodell mit Uhrwerkantrieb. Seine Erfindung des fälschungs­ sicheren Banknotendoppeldrucks mit einer Guillochiermaschine (1821) wurde von vielen europäi­ schen Notenbanken übernommen. akg-images Die Flügel, die sich Jakob Degen baute, bestanden aus Bambus, Schilfrohr, Bindfäden und Papier. Seine Versuche zeigten, dass die Muskelkraft des Menschen nicht ausreicht, um genügend große Schwingen zu bewegen. akg-images Wilhelm Kreß Wasserflugzeug des Wilhelm Kreß mit zwei Tragflügeln hintereinander (1909) Kreß, Wilhelm, * 29. 7. 1836 St. Pe­ tersburg (RUS), † 24. 2. 1913 Wien, Flugpionier, Konstrukteur; kam 1877 nach Wien, wo er das erste freischwebende Drachenflieger­ modell zum Fliegen brachte. Der Start eines ersten Motorflugzeugs auf dem Wienerwaldstausee misslang 1901 wegen eines zu schweren Motors. Zwei Jahre später gelang in den USA den Brüdern Wright der erste Motor­ flug. Kreß erfand um 1900 den „Steuerknüppel“ zur kombinierten Steuerung. Etrich, Igo, * 25. 12. 1879 Ober­ altstadt (Horní Staré Město, CZ), † 4. 2. 1967 Salzburg, Pionier des Flugzeugbaus; meldete 1905 ein Patent für Flügelform und Luftschraube bei Flugzeugen an, konstruierte 1907 das erste öster­ reichische Motorflugzeug, 1910 die „Etrich-Taube“ (Eindecker), 1911 das erste österreichische Militär­ flugzeug. Seinem Mitarbeiter Franz Wels gelang 1906 der erste Flug eines Menschen in Österreich (Gleitflug). Technisches Museum, Wien Igo Etrich Die „Taube“ war das international erfolgreichste Flugzeug der damaligen Zeit. Österreich war vor dem 1. Weltkrieg mit 23 Weltrekorden eine international führende Flugnation. 130 06945_Buch.indb 130 16.01.14 09:05 Aus der Geschichte der internAtionALen LuftfAhrt Antike 1811 1937 dädalus und ikarus Eine Sage aus dem Altertum: Dädalus und Ikarus fliehen aus der Gefangenschaft mit Flügeln aus Federn und Wachs. Ikarus kommt der Sonne zu nahe, das Wachs schmilzt und er stürzt ab. Zeppelin Deutschland: Die LZ 129, das größ­ te je von Graf Zeppelin gebaute Luftschiff, fliegt in die USA. Es ist mit Wasserstoff gefüllt. Bei der Landung in Lakehurst gerät das Luftschiff in Brand. 36 Menschen sterben. Das ist das Ende der Luftschifffahrt. Deutsches Museum, München 1500 Leonardo da Vinci Italien: Der Maler und Erfinder Leonardo da Vinci zeichnet Fall­ schirme und Hubschrauber. Er entwirft sogar ein Gleitflugzeug von 20 m Spannweite mit einzieh­ barem Fahrwerk. die concorde Frankreich: Mit der Concorde konn­ ten Passagiere schneller als der Schall fliegen. Mit einer Geschwin­ digkeit von 2 100 km / h flog die Concorde in nur drei Stunden von Europa über den Atlantik nach Amerika. 2003 wurde der Linien­ flugbetrieb eingestellt. Ludwig berblinger Deutschland: Der Schneider aus Ulm, Ludwig Berblinger, ist ver­ mutlich der erste Mensch, dem mit Flügeln kürzere Gleitflüge gelingen. Als er seine Künste einem großen Publikum vorführen will, stürzt er kopfüber in die Donau und wird zum Gespött seiner Zeit­ genossen. 1783 1971 Heute 1896 Montogolfière Frankreich: Die Brüder Montgolfier starten in Versailles vor dem versammelten Hof ihren ersten „bemannten“ Heißluftballon. Die Mannschaft besteht aus einem Hammel, einer Ente und einem Hahn. Der Flug dauert acht Minuten. Der Ballon „Montgolfière“ wird nach den Erfindern J. und J. Montgolfier benannt. picturedesk.com/Caro 1903 The Illustrated London News Deutsches Museum, München otto Lilienthal Deutschland: Beim Studium des Vogelflugs entdeckt Otto Lilienthal die besonders gewölbte Form der Flügel. Seine Flugmodelle erlauben ihm Gleitflüge bis 250 m. Bei einem seiner Flüge stürzt er zu Tode. Airbus A340 Europa: Der Airbus ist ein Flugzeugtyp, der von mehreren europäischen Firmen in Gemein­ schaftsarbeit gebaut wird. Er ist zur Gänze computergesteuert. Mehrere Computer überprüfen ständig die technischen Systeme. Befehle des Piloten werden vom Computer überprüft und bei Fehlern sogar korrigiert. Gebrüder Wright USA: Erster Motorflug der Gebrüder Wright mit ihrem „Flyer“. Orville Wright fliegt in 12 Sekunden 36 m weit. Noch am gleichen Tag errei­ chen die Brüder eine Weite von 260 m. Fünf Jahre später fliegen sie schon 65 km weit bei einer Flug­ höhe von über 100 m. 131 06945_Buch.indb 131 16.01.14 09:05 Der Traum vom Fliegen Guericke (sprich: Gericke), Otto von, 1602–1686, Bürgermeister in Mag­ deburg; erfand 1649 die Luftpumpe, später ein Manometer, erkannte, dass die Luft eine Gewichtskraft hat und bestimmte ihr Gewicht. Bekannt ist vor allem sein Nachweis des ­atmosphärischen Luftdrucks mithilfe der luftleer gepumpten ­sogenannten „Magdeburger Halbkugeln“ (1656). Guerike bewies auch, dass sich Schall nicht durch den luftleeren Raum fortpflanzen kann. Implosion, die; plötzliches Eindrü­ cken der Wände eines luftleeren Gefäßes durch den äußeren Luft­ druck. Gegensatz: Explosion. Entfernung von der Erde nehmen Dichte und Temperatur der Luft ab. Menschen, Tiere und Pflanzen brauchen Luft zur Atmung. 1 dm3 Luft hat eine Masse von rund 1,3 g und eine Gewichtskraft von rund 0,013 N. Implosion einer Getränkedose Kompressor, der; eine Maschine zum Verdichten („Komprimieren“) von Luft oder Gasen. Durch den Kompressor wird bei Autos und Flugzeugen das Luft-Treibstoff-Ge­ misch vorverdichtet („Turbo-Lader“), wodurch die hohen Leistungen die­ ser Maschinen erst ermöglicht werden. Außerdem wird Pressluft für Bremsanlagen, Pressluftwerkzeuge und zum Aufpumpen von Autoreifen gebraucht. Luft, die; Gasgemisch, das die Erde umhüllt („Erdatmosphäre“); besteht an der Erdoberfläche aus rund 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1 % Edel­ gasen und kleineren Mengen Koh­ lenstoffdioxid, Wasserstoff und anderen Gasen. Mit zunehmender Luftdruck, der; jener Druck, den die Luft der Atmosphäre aufgrund der Erdanziehung („Gravitation“) auf ihre Unterlage oder eine ihrer Luftschich­ ten ausübt. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab und schwankt entspre­ chend den Bewegungsvorgängen in der Atmosphäre. Ein Gebiet g ­ eringen Luftdrucks heißt barometrisches Tief, ein solches hohen Drucks barometrisches Hoch. Durch die unterschiedlich starke Sonnenein­ strahlung und die damit verbundene Erwärmung der Luft sowie durch die Drehung der Erde bilden sich Luftdruckgegensätze und Luft­ strömungen, die zu Winden und manchmal auch zu Stürmen (Orkan, Hurrikan, Taifun) führen. Der Luftdruck wird in Millibar (mbar) oder in Hektopascal angegeben. Der Normalluftdruck beträgt 1 013 mbar bzw. 1 013 hPa. Fürnstahl Horst, Graz Flugzeug, das; Luftfahrzeug, das im Gegensatz zum Ballon und zum Luftschiff schwerer als Luft ist. Es kann sich in der Luft halten, weil durch die besondere Form und Stellung der Tragflächen die ­strömende Luft über den Trag­flächen einen Unterdruck bewirkt, wodurch es zu einem Auftrieb kommt. Die Hauptteile eines Flugzeugs sind: der Rumpf, die Tragflügel, das Leitwerk (Höhen-, Seiten- und Querruder), das Fahrgestell, das Triebwerk und die Navigations- und Nachrichten­ geräte. „Magdeburger Halbkugeln“ Fürnstahl Horst, Graz Barometer, das; Messgerät für den Luftdruck. Das einfachste Barometer ist das Quecksilberbarometer. Es be­ steht aus einer u-förmig gebogenen Glasröhre, die an einem Ende offen, am anderen zugeschmolzen ist. Auf das offene Ende, das oft birnenför­ mig erweitert ist, drückt die ganze Luftsäule, die über dem Gefäß lastet. Dadurch wird das Quecksilber in der Röhre in die Höhe gedrückt. Je nach Dichte der Luftsäule steigt oder fällt das Barometer. Beim Aneroid-Barometer wird die durch den Luftdruck bewirkte Verformung einer luftlee­ ren Metalldose auf einen Zeiger übertragen. Der Normalstand der Quecksilbersäule auf Meereshöhe ist 760 mm, das entspricht einem Druck von 1 013 mbar oder 1 013 Hekto­ pascal (hPa). Fürnstahl Horst, Graz Lexikon 132 06945_Buch.indb 132 16.01.14 09:05 Der Traum vom Fliegen Lexikon Queck­ silbersäule eines Barometers bezeichnet man als torricellische Leere. Manometer, das; Druckmesser für Gase und Flüssigkeiten (z. B. Luft­ druck, Dampfdruck); das Flüssigkeits-Manometer ist ein u-förmig gebogenes Rohr, das mit Queck­ silber oder einer (gefärbten) Flüssig­ keit gefüllt ist; die geeichte Skala gibt den Druck an. Das Röhren-­ Manometer besteht aus einer gekrümmten Röhre; der Druck ändert die Krümmung und wird über eine Hebelübersetzung auf einer Skala angezeigt. Windmühlen und Windräder nützen die Energie des Windes mit Flügelrädern oder Propellern zur Arbeitsleistung aus. Manometer Torricelli, Evangelista; italienischer Physiker, 1608–1647; Schüler und Nachfolger Galileis; erfand das Quecksilberbarometer. Den luftleeren Raum über der MEV Verlag/Kübler Luftwiderstand, der; Widerstand des fahrenden Fahrzeugs, der durch die Verdrängung der Luft und durch die Reibung der Luft am Fahrzeug ent­ steht. Der Luftwiderstand wächst mit der Geschwindigkeit und ist von der angeströmten Fläche des Körpers abhängig. Die günstigste Form ist die „Stromlinienform“: Man vermei­ det scharfe Ecken und Kanten. Fürnstahl Horst, Graz Luftfahrt, die; Sammelbezeichnung für alle Gebiete des Flugwesens. Vom Wunsch des Menschen fliegen zu können, erzählen das orientalische Märchen vom fliegenden Teppich, die griechische Sage von Dädalus und Ikarus und die germanische Sage von Wieland dem Schmied. Das erste Flugzeugmodell wurde um das Jahr 1500 von dem Italiener Leonardo da Vinci entworfen. Der erste wirkliche Flug fand durch die französischen Brüder Montgolfier in einem Heißluftballon statt. 1896 gelang dem deutschen Ingenieur Otto Lilienthal der erste Segelflug, 1903 den amerikanischen Brüdern Wright der erste Flug mit einem Motorflugzeug. Der Amerikaner Lindbergh überquerte 1927 den Atlantik. Ab 1939 entwickelte man Flugzeuge mit Strahltriebwerk („­Düsenantrieb“); 1947 gelang der erste Überschall­ flug. Seit 1970 sind Großraum­ flugzeuge mit Strahlantrieb („Jumbo-Jet“) im Einsatz. Sie errei­ chen Reisegeschwindigkeiten von Das schnellste 1 000 km / h. Passagierflugzeug, die Concorde, erreichte eine Geschwindigkeit von 2 333 km / h. Österreichische Pioniere des F­ liegens waren Wilhelm Kreß und Igo Etrich. picturedesk.com/SWNS.com/Action Press Windenergiekonverter Ein Fahrzeug mit Stromlinienform 133 06945_Buch.indb 133 16.01.14 09:05 Zusammenhang zwischen Höhe und Luftdruck (im Mittel): Höhe hPa bzw. mbar Höhe hPa bzw. mbar 0m 1 013,25 4 500 m 577,33 500 m 954,61 5 000 m 540,25 1 000 m 898,76 6 000 m 471,87 1 500 m 845,58 7 000 m 410,66 2 000 m 794,98 8 000 m 356,06 2 500 m 746,86 9 000 m 307,48 3 000 m 701,12 10 000 m 264,42 3 500 m 657,68 11 000 m 226,37 4 000 m 616,45 Dichte ρ (kg/dm³ bei 20 °C) von einigen Flüssigkeiten, alphabetisch Aceton („Nagellackentferner“) 0,79 Meerwasser 1,02–1,03 Benzin (für KFZ) ca. 0,75 Milch 1,03 Diesel/Heizöl ca. 0,83 Olivenöl 0,91 Ethanol („Alkohol“) 0,79 Quecksilber Glycerin (in Hautcreme) 1,26 Wasser bei 3,98 °C 13,59 0,99 Dichte ρ (kg/dm³) von einigen Feststoffen, alphabetisch Aluminium Beton Blei Eichenholz 2,71 ≈ 2,2 11,34 ≈ 0,8 Kork 0,15 Kupfer 8,9 Messing 8,6 Plexiglas 1,2 2,4 Eis 0,9 Sandstein Eisen 7,8 Silber Fensterglas 2,5 Steinkohle 1,4 Fichtenholz ≈ 0,5 Zink (z. B. Dachrinne) 7,1 Zinn („Bleigießen“) 7,28 Gold 19,3 10,5 Dichte von einigen Gasen ρ (kg/m³), bei 0 °C und 1 013 mbar, alphabetisch Ammoniak (Misthaufen) 0,77 Luft 1,29 Chlor (Haushaltsreiniger) 3,22 Propan (Heizgas) 2,2 Helium (Luftballon) 0,179 Sauerstoff 1,47 Kohlenstoffdioxid 1,98 Stickstoff 1,25 Kohlenstoffmonooxid 1,25 Wasserstoff 0,09 134 06945_Kern_06_StichwortVZ.indd 134 20.01.14 07:51 Elemente Symbole Elemente Symbole Elemente Symbole Actinium Ac Hassium Hs Radon Rn Aluminium Al Helium He Rhenium Re Americium Am Holmium Ho Rhodium Rh Antimon Sb Indium In Roentgenium Rg Argon Ar Iod I Rubidium Rb Arsen As Iridium Ir Ruthenium Ru Astat At Kalium K Rutherfordium Rf Barium Ba Kobalt Co Samarium Sm Berkelium Bk Kohlenstoff C Sauerstoff O Beryllium Be Krypton Kr Scandium Sc Blei Pb Kupfer Cu Schwefel S Bohrium Bh Lanthan La Seaborgium Sg Bor B Lawrencium Lr Selen Se Brom Br Lithium Li Silber Ag Cadmium Cd Lutetium Lu Silicium Si Cäsium Cs Magnesium Mg Stickstoff N Californium Cf Mangan Mn Strontium Sr Calcium Ca Meitnerium Mt Tantal Ta Cer Ce Mendelevium Md Technetium Tc Chlor Cl Molybdän Mo Tellur Te Chrom Cr Natrium Na Terbium Tb Copernicium Cn Neodym Nd Thallium Tl Curium Cm Neon Ne Thorium Th Darmstadtium Ds Neptunium Np Thulium Tm Dubnium Db Nickel Ni Titan Ti Dysprosium Dy Niob Nb Uran U Einsteinium Es Nobelium No Vanadium V Eisen Fe Osmium Os Wasserstoff H Erbium Er Palladium Pd Wismut Bi Europium Eu Phosphor P Wolfram W Fermium Fm Platin Pt Xenon Xe Fluor F Plutonium Pu Ytterbium Yb Francium Fr Polonium Po Ytterium Y Gadolinium Gd Praseodym Pr Zink Zn Gallium Ga Promethium Pm Zinn Sn Germanium Ge Protactinium Pa Zirconium Zr Gold Au Quecksilber Hg Hafnium Hf Radium Ra 135 06945_Kern_06_StichwortVZ.indd 135 20.01.14 07:56 Vorsätze für Vielfache und Teile für Maßeinheiten Vorsilbe Zeichen Faktor (mal) Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka Dezi Zenti Milli Mikro Nano Pico Femto Atto T G M k h da d c m μ n p f a 1 000 000 000 000 1 000 000 000 1 000 000 1 000 100 10 0,1 0,01 0,001 0,000 001 0,000 000 001 0,000 000 000 001 0,000 000 000 000 001 0,000 000 000 000 000 001 die Mathematikerin, der Mathematiker schreibt 1012 109 106 103 102 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 Zahlwort Billion Milliarde Million Tausend Hundert Zehn Zehntel Hundertstel Tausendstel Millionstel Milliardstel Billionstel Billiardstel Trillionstel Achtung: Die US-Billion entspricht unserer Milliarde! Zusatzinformation: In der Welt der Datenverarbeitung und Datenspeicherung wird auch so gerechnet: 1 kB = 1 024 Byte 1 MB = 1 024 . 1 024 Byte = 1 048 576 Byte 1 GB = 1 024 . 1 024 . 1 024 Byte = 1 073 741 824 Byte 1 TB = 1024 . 1024 . 1024 . 1024 Byte = 1 099 511 627 776 Byte Dies erklärt, warum die Angaben auf den Festplatten nicht mit den Werten übereinstimmen, die am Computer angezeigt werden. Einige physikalische Größen und ihre Einheiten Größenart („Name“) Länge Masse Formelzeichen l m Einheit (Symbol) Meter (m) Kilogramm (kg) Zeit t Sekunde (s) elektrische Stromstärke absolute Temperatur Fläche I T a Ampere (A) Kelvin (K) Quadratmeter (m²) Volumen V Kubikmeter (m³) Dichte ρ Kraft Druck F p Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³) Newton (N) Pascal (Pa) Energie, Arbeit Leistung Geschwindigkeit W P v Joule (J) Watt (W) Meter pro Sekunde (m/s) Umrechnungen 1 sm (Seemeile) = 1 852 m 1 kg = 1 000 g 1 g = 0,001 kg 1 h = 3 600 s 1 min = 60 s 1 Tag (d) = 86 400 s 0 °C = 273,15 K 1 a = 100 m² 1 ha = 10 000 m² 1 km² = 1 000 000 m² 1 dm³ = 1 l 100 l = 1 hl 1 000 l = 1 m³ 1 kg/m³ = 1 g/cm³ 1 hPa = 1 mbar 1 bar = 1 000 mbar 1 bar = 100 000 Pa 1 J = 1 Nm 1 W = 1 Nm/s 1 km/h = 3,6 m/s 1 Kn (Knoten) = 1 sm/h = 1,852 km/h 136 06945_Kern_06_StichwortVZ.indd 136 20.01.14 08:03 Schaltzeichen für Elektrik und Elektronik Schaltzeichen für Erde Schutzerdung Masse, Gehäuse Sicherung Schließer, allgemeiner Schalter Zelle einer Batterie Batterie aus zwei Zellen Widerstand Steckdose mit Schutzkontakt Glühlampe Leuchtdiode LED Elektrogerät (allgemein) Küchenmaschine Elektroherd (allgemein) Mikrowellenherd Backofen Waschmaschine Geschirrspüler Kühlschrank 137 06945_Buch.indb 137 16.01.14 09:05 Stichwortverzeichnis Absolute Temperatur�������������������� 88, 92 Abwasser����������������������������������������108, 116 Adhäsion ��������������������������������������������������� 82 Aggregatzustand������������������������������������� 82 Airbus�������������������������������������������������������131 Altbausanierung������������������������������������� 76 Amperemeter������������������������������������������� 16 Anemometer�������������������������������������� 48,52 Aquaplaning�������������������������������������� 66, 70 Aräometer�����������������������������������������������116 Arbeit, elektrische����������������������������������� 16 Arbeit, physikalische ���������������������� 28, 44 Archimedes�������������������������� 106, 112, 116 Astronomie��������������������������������������������������8 Atmosphäre ������������������������������������ 78, 118 Atom���������������������������������������������������� 72, 82 Atomtheorie��������������������������������������������� 82 Auftrieb, in Flüssigkeiten �������������������112 Auftrieb, in Gasen���������������������������������124 Auftrieb, in strömender Luft �������������124 Auftriebskraft�����������������������������������������126 Ausdehnung, von Festkörpern���� 86, 92 Ausdehnung, von Flüssigkeiten�� 86, 92 Ausdehnung, von Gasen���������������� 84, 92 Balkenwaage������������������������������������ 56, 60 Ballon ����������������������������������������������124, 131 Bar (bar)���������������������������������������������������110 Barometer��������������������������������������120, 132 Batterie������������������������������������������������������� 16 Becken ������������������������������������������������������� 98 Benzinteilchen����������������������������������������� 78 Berblinger, Ludwig�������������������������������131 Beschleunigung�������������������������������� 48, 52 Beschleunigungsarbeit������������������������� 44 Beschleunigungskraft��������������������������� 44 Bewegung������������������������������������������������� 46 Bewegung, gleichförmige ������������������� 46 Bewegung, ungleichförmige��������������� 46 Bewegungsenergie��������������������������������� 32 Bimetallthermometer ��������������������������� 88 Biologie���������������������������������������������������������8 Bodenfeuchtigkeit ��������������������������������� 76 Brown’sche Bewegung ������������������ 78, 82 Cartesianischer Taucher���������������������116 Celsius, Anders����������������������������������������� 92 Celsius-Skala��������������������������������������������� 88 Chemie����������������������������������������������������������8 Chemische Energie��������������������������������� 32 Compact-Disc�����������������������������������������104 Concorde����������������������������������������131, 133 Dädalus���������������������������������������������������131 Degen, Jakob�����������������������������������������130 Dezibel��������������������������������������������100, 104 Dichte�������������������������������������������������� 56, 60 Dichtebestimmung ������������������������������� 60 Dichtetabelle ������������������������������������������� 60 Diffusion���������������������������������������������� 78, 82 Digital Versatile Disc�����������������������������104 Drehmoment ������������������������������������������� 74 Druck���������������������������������������������������������110 Druck, in Flüssigkeiten����������������108, 116 Druckberechnung���������������������������������110 Drucken����������������������������������������������������� 76 Druckkraft�����������������������������������������������110 Druckmessung���������������������������������������110 Druckwelle������������������������������������������������ 94 Durchschnittsgeschwindigkeit���� 48, 52 Echo����������������������������������������������������������� 96 Gitarre��������������������������������������������������������� 98 Gleichgewicht ���������������������������������� 40, 44 Gleichgewicht, indifferent������������������� 42 Gleichgewicht, labil ������������������������������� 42 Gleichgewicht, stabil����������������������������� 42 Gleitreibung��������������������������������������������� 66 Gravitation������������������������������������������ 66, 70 Guerike, Otto von������������������������118, 132 Haarröhrchenwirkung������������������ 76, 82 Haftreibung����������������������������������������������� 66 Halbleiter�������������������������������������������� 12, 16 Hebel����������������������������������������������������������� 34 Hebel, einseitig ��������������������������������������� 34 Hebel, zweiseitig������������������������������������� 34 Hebelgesetz �������������������������������������� 34, 44 Hebelwaagen������������������������������������������� 44 Heißluftballon ������������������������������124, 131 Hektopascal (hPa)���������������������������������132 Hertz�������������������������������������������������� 96, 104 Hörbereich�����������������������������������������������100 Hörschwelle �������������������������������������������100 Hubarbeit��������������������������������������������������� 44 Hydraulische Bremse���������������������������116 Hydraulische Presse��������������������106, 116 Hydrostatik���������������������������������������������116 Hydrostatisches Paradoxon���������������116 Eigenfrequenz ���������������������������������������104 Einheit, Druck�����������������������������������������110 Einheit, Kraft�������������������������������������� 64, 70 Einheit, Masse������������������������������������ 56, 60 Einheit, Temperatur ������������������������������� 88 Elektrischer Strom�������������������������������9, 16 Elektrizität������������������������������������������������� 16 Elektromagnet���������������������������������� 18, 26 Elektromagnetismus ����������������������������� 26 Elektron ����������������������������������������������������� 72 Elementarmagnete��������������������������������� 22 Elementarteilchen����������������������������������� 72 Energie������������������������������������������������������� 32 Engerie, chemische��������������������������������� 32 Energie, elektrische ������������������������������� 32 Energie, Erhaltung der��������������������������� 44 Energie, kinetische��������������������������������� 44 Energie, mechanische��������������������������� 32 Energie, potenzielle������������������������������� 44 Erdanziehung������������������������������������ 66, 70 Erdmagnetismus������������������������������������� 22 Etrich, Ingo ������������������������������������130, 133 Experiment��������������������������������������������������8 Ikarus �������������������������������������������������������131 Implosion����������������������������������������120, 132 indifferent������������������������������������������������� 44 Infraschall �����������������������������������������������104 Ion �������������������������������������������������������� 72, 82 Isolator, elektrischer������������������������ 12, 16 Fahrradpumpe�������������������������������������122 Joule���������������������������������������������������������102 Feststoff����������������������������������������������������� 74 Fieberthermometer������������������������������� 92 Flaschenzug ��������������������������������������������� 38 Flöte������������������������������������������������������������� 98 Flüssigkeit������������������������������������������������� 74 Flüssigkeit, Eigenschaften ���������� 74, 106 Flüssigkeitsteilchen ���������������������� 74, 106 Flugzeug ��������������������� 126, 130, 131, 132 Frequenz ��������������������������������������������������� 96 fest��������������������������������������������������������������� 74 flüssig ��������������������������������������������������������� 74 Kalorik����������������������������������������������������������8 Galilei, Galileo����������������������������������������� 60 Gas��������������������������������������������������������������� 74 Gase, Eigenschaften���������������������� 74, 118 gasförmig��������������������������������������������������� 74 Gasteilchen���������������������������������������� 74, 84 Gegenkraft ���������������������������������������� 64, 70 Geige����������������������������������������������������������� 98 Generator��������������������������������������������������� 16 Geologie��������������������������������������������������������8 Geräusch ��������������������������������������������������� 94 Geschwindigkeit������������������������������ 48, 52 Geschwindigkeitsgewinn��������������������� 36 Gewichtskraft������������������������������������ 66, 70 Kapillar������������������������������������������������������� 76 Kelvin-Skala���������������������������������������� 88, 92 Kernenergie��������������������������������������� 32, 44 Kernphysik����������������������������������������������������8 Kilogramm������������������������������������������ 56, 60 Kippkante ������������������������������������������������� 44 Kippmoment��������������������������������������������� 44 Kläranlage��������������������������������������108, 116 Klang����������������������������������������������������������� 94 Klangfarbe�����������������������������������������������104 Klavier��������������������������������������������������������� 98 Kleben��������������������������������������������������������� 76 Klebstoff���������������������������������������������� 76, 82 Knall������������������������������������������������������������� 94 Knoten ������������������������������������������������������� 52 Körperschall ��������������������������������������������� 94 Kohäsion ��������������������������������������������������� 82 Kompass���������������������������������������������� 22, 26 Kompressor���������������������������������������������132 Kraftarten��������������������������������������������������� 62 Kraftersparnis������������������������������������������� 34 Kraftmesser����������������������������������������������� 64 Kraftpfeil����������������������������������������������������� 64 138 06945_Buch.indb 138 16.01.14 09:05 STICHWORTVERZEICHNIS Kraftwirkung��������������������������������������������� 64 Kreß, Wilhelm��������������������������������130, 133 Kristall��������������������������������������������������������� 72 Kurzschluss����������������������������������������������� 14 Labil����������������������������������������������������������� 44 Lärm�����������������������������������������������������������100 Lärmvermeidung�����������������������������������100 Lageenergie ��������������������������������������������� 32 Last��������������������������������������������������������������� 44 Lautsprecher��������������������������������������������� 98 Lautstärke ������������������������������������������������� 96 Legierung��������������������������������������������������� 26 Leistung, elektrische ����������������������������� 16 Leonardo da Vinci������������������������130, 132 Lilienthal, ottobre�������������� 126, 131, 133 Löslichkeit������������������������������������������������� 78 Lösung ������������������������������������������������ 78, 82 Löten���������������������������������������������������� 74, 82 Log�������������������������������������������������������� 48, 52 Luft����������������������������������������������������128, 132 Luftdruck������������������������������ 120, 122, 132 Luftdruck, Messung��������������������120, 132 Luftdruck, Nutzung������������������������������122 Luftfahrt�������������������������������� 130, 131, 133 Lufthülle���������������������������������������������������118 Luftsäule, schwingende ����������������������� 98 Luftverdichtung����������������������������122, 132 Luftverdünnung �����������������������������������122 Luftwiderstand���������������������������������������133 Magdeburger Halbkugeln������118, 132 Magnet������������������������������������������������������� 26 Magnetberg �������������������������������������� 18, 26 Magneteisenstein���������������������������� 18, 26 Magnetfeld����������������������������������������������� 22 Magnetische Missweisung������������������� 26 Magnetische Pole����������������������������������� 26 Magnetismus������������������������������������ 18, 26 Magnetit����������������������������������������������������� 26 Magnetkompass������������������������������ 22, 26 Magnetkraft ��������������������������������������������� 20 Magnetophon ����������������������������������������� 26 Magnetpole���������������������������������������� 20, 26 Magnetschwebebahn��������������������������� 26 Malen ��������������������������������������������������������� 76 Manometer������������������������������������110, 122 Maschine�������������������������������������������������116 Masse �������������������������������������������������� 54, 60 Massebestimmung��������������������������������� 60 Massenvergleich������������������������������������� 56 Membran, schwingende����������������������� 98 Messglas����������������������������������������������������� 56 Meteorologie ����������������������������������������������8 Millibar (mbar)������������������������������120, 132 Mineralogie��������������������������������������������������8 Modell�������������������������������������������������� 72, 82 Modell der kleinsten Teilchen������ 72, 82 Molekül������������������������������������������������ 72, 82 Momentangeschwindigkeit���������������� 52 Montgolfier, Joseph Michel���������������124 Neutron����������������������������������������������������� 72 Newton (N) ����������������������������������56, 60, 70 Newton, Sir Isaac������������������������������ 66, 70 Nichtleiter������������������������������������������������� 12 Oberflächenspannung������������76, 80, 82 Obertöne�������������������������������������������������104 Optik��������������������������������������������������������������8 Orgelpfeife������������������������������������������������ 98 Oszilloskop ���������������������������������������������104 Parallelschaltung����������������������14, 15, 16 Pascal (Pa) �����������������������������������������������110 Platte, schwingende������������������������������� 98 Pole, Stromquelle ����������������������������������� 16 Proton��������������������������������������������������������� 72 Quecksilbersäule������������������������113, 132 Reibung���������������������������������������������� 66, 70 Reibung, im Straßenverkehr ��������������� 70 Reibungsarbeit����������������������������������������� 44 Reibungsarten����������������������������������������� 66 Reifenprofil����������������������������������������������� 70 Resonanz�������������������������������������������������104 Röhrchen, enge��������������������������������������� 76 Rolle, feste������������������������������������������������� 36 Rolle, lose��������������������������������������������������� 36 Rollreibung����������������������������������������������� 66 Rückstoß��������������������������������������������� 66, 70 Ruhe ����������������������������������������������������������� 46 Saite, schwingende������������������������������� 98 Saiteninstrument������������������������������������� 98 Samen�������������������������������������������������������126 Schall����������������������������������������������������������� 94 Schalldämmung �����������������������������������100 Schalldruck���������������������������������������������104 Schallgeschwindigkeit��������������������������� 96 Schallmessung���������������������������������������100 Schallpegel���������������������������������������������104 Schallplatte���������������������������������������������104 Schallquelle����������������������������������������������� 94 Schallschutzwand���������������������������������100 Schalter������������������������������������������������������� 10 Schaltsymbole����������������������������������������� 12 Schmerzgrenze �������������������������������������100 Schreiben��������������������������������������������������� 76 Schweben, in Wasser���������������������������112 Schwerpunkt������������������������������������� 40, 44 Schwimmen �������������������������������������������112 Schwingungsweite��������������������������������� 96 Seilrolle������������������������������������������������������� 36 Serienschaltung��������������������������14, 15, 16 Sicherung��������������������������������������������������� 16 Sinken�������������������������������������������������������112 Spannung, elektrische��������������������������� 16 Stab, schwingender������������������������������� 98 stabil����������������������������������������������������������� 44 Standfestigkeit����������������������������������������� 40 Stimmgabel�������������������������������������� 96, 104 Strahlungsenergie��������������������������� 32, 44 Stromkreis������������������������������������������������� 10 Stromlinienform ��������������������������126, 133 Stromquelle �������������������������������������� 10, 16 Stromstärke, elektrische����������������������� 16 Tachometer�������������������������������������� 66, 52 Technik����������������������������������������������������������8 Teilchenbewegung, bei Erwärmung ��������������������������������������� 86 Teilchenkräfte������������������������������76, 78, 82 Teilchenmodell �������������������������������� 72, 82 Temperatur���������������������������������������� 70, 74 Temperaturregler ����������������������������������� 92 Thermochromie��������������������������������������� 92 Thermoelement��������������������������������������� 92 Thermometer������������������������������������ 88, 92 Ton��������������������������������������������������������������� 94 Tonband�������������������������������������������� 94, 104 Tonhöhe����������������������������������������������������� 96 Tonträger�������������������������������������������������104 Torricelli, Evangelista������������������120, 133 Tragflügelboot���������������������������������������126 Trägheit ����������������������������������������������������� 54 Trägheitsgesetz��������������������������������������� 60 Triangel������������������������������������������������������� 98 Trommel����������������������������������������������������� 98 Trompete��������������������������������������������������� 98 Ultraschall ������������������������������������100, 112 Unterseeboot�����������������������������������������116 Vakuum���������������������������������������������������120 Ventil������������������������������������������������116, 122 Verbraucher ��������������������������������10, 15, 16 Verbundene Gefäße�����������������������������108 Verformungsarbeit��������������������������������� 44 Verzögerung�������������������������������������� 48, 52 Viskosität��������������������������������������������������� 70 Voltmeter��������������������������������������������������� 16 Volumen����������������������������������������������������� 60 Waage������������������������������������������������ 56, 60 Wärmeausdehnung������������������84, 86, 92 Wärmeenergie����������������������������������������� 32 Waschmittel ��������������������������������������������� 76 Wasserstrahlpumpe�����������������������������122 Wasserteilchen����������������������������������������� 78 Wasserversorgung ����������������������108, 116 Wasserwaage�����������������������������������������116 Wellrad������������������������������������������������������� 38 Widerstandsthermometer������������������� 92 Windmühle���������������������������������������������133 Windstärke ����������������������������������������������� 52 Wright, Gebrüder ���������������������������������131 Xylophon ������������������������������������������������� 98 Zeppelin, Graf von�������������������������������131 Zuckerteilchen����������������������������������������� 78 Zustandsformen ������������������������������������� 74 139 06945_Umschlag.indd 6 16.02.15 07:49 2 Physik heute • Zahlreiche – optimal abgestimmte – Arbeitsaufgaben aus der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler • Methodenkompetenzen für einen handlungsorientierten Unterricht • Ausführliche Zusammenfassungen am Ende jedes Kapitels – zur Wiederholung und Festigung der wichtigsten Inhalte Schulbuch Nr: 110.413 Physik . heute • Lexikonseiten zum Nachschlagen wichtiger Begriffe ISBN 978-3-7058-5978-4 Fürnstahl / Wolfbauer Physik.heute 2 VERITAS-Verlag 11. Auflage (2015) www.veritas.at www.veritas.at 06945_Umschlag.indd 1 16.02.15 07:49
