Aufgaben_Translation_2

Aufgaben Physik
Translationsmechanik 2
1. Betrachten Sie folgende eindimensionale Bewegungen und legen Sie eine positive
Raumrichtung fest. Bestimmen Sie dann die zu dieser Richtung gehörigen Impulsflüsse, schneiden Sie Körper frei, und identifizieren Sie Kräfte in Bezug auf die
Systeme. (a) Man zieht mit einem Seil horizontal an einer Kiste, die sich auf dem
Boden bewegt. Vernachlässigen Sie Reibung. (b) Die Kiste aus a wird gestossen.
(c) Nehmen Sie in a und b Reibung dazu. (d) Eine Lokomotive stösst beim Ankoppeln auf die Puffer eines Eisenbahnwagens. (e) Ein Zug fährt an. Betrachten
Sie die Lokomotive und die ersten beiden Wagen separat. (f) Eine Person läuft auf
der Strasse an. (g) Ein Auto fährt schnell und bremst. (h) Ein Ball fällt frei. (i) Eine Münze wird nach oben geworfen. Nehmen Sie einen Moment, nachdem sie die
Hand verlassen hat und sich frei nach oben bewegt. Einmal ohne und dann mit
Luftwiderstand. (j) Eine Person ist vom Stuhl gesprungen und trifft mit den Füssen auf den Boden.
2. Warum führt der Impulstransport durch die Wechselwirkung von Stein und Gravitationsfeld nicht direkt zu Spannungen im Stein?
3. Welche Impulstransporte sind mit Kräften verknüpft, welche nicht?
4. Eine Rakete bewegt sich weit weg von allen Himmelskörpern und sonstigen Einflüssen. Der Motor läuft, Gas strömt hinten hinaus. Denken Sie sich eine Systemgrenze um die Rakete herum. (a) Wieso wirken keine Kräfte auf das System? (b)
Ist es trotzdem möglich, dass an der Stelle, wo das Gas durch die Systemgrenze
fliesst, eine Kraft identifiziert werden sollte?
5. Was passiert mit der Bewegung eines Körpers, der mechanisch von der Umwelt
isoliert ist?
6. Ist ein Klotz in Ruhe auf dem Boden mechanisch von der Umwelt isoliert, oder
warum bewegt er sich nicht?
7. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Impulsbilanz und der normalen Form
des 2. Newtonschen Gesetzes.
8. Woran erkennt man im 2. Newtonschen Gesetz, dass der Impuls erhalten sein
soll?
9. Ein Gleiter bewegt sich reibungsfrei auf einer horizontalen Luftschine. Er wird
dabei in die positive Raumrichtung gestossen, und gleichzeitig wird er mit einem
Seil in die positive Richtung gezogen. Kann er sich trotzdem in die negative Richtung bewegen?
10. Wieso kann man sich nicht selber an seinen Haaren aus dem Sumpf ziehen?
11. Beim Fussballspielen sieht man immer wieder, dass Bälle eine Kurve fliegen
können. Ist das eine Folge des Schlages auf den Ball, oder ist die Luft während
des Fluges daran schuld?
12. Bestimmen Sie zu jeder in Aufgabe 1 identifizierten Kraft die “Gegenkraft”
(Wechselwirkungskraft, Actio-Reactio).
13. Erklären Sie den Unterschied zwischen Gleichgewicht und dem Wechselwirkungsprinzip (Newton’s 3. Axiom).
14. Ein Esel wird vor einen Karren gespannt und soll diesen ziehen. Er hat aber Newton’s Principia gelesen und weigert sich, da das alles nichts nütze. Schliesslich
ziehe der Wagen genau gleich stark an ihm wie er am Wagen, deshalb wolle er
gar nicht erst anfangen. Wie erklären Sie dem Esel, dass er Newton falsch interpretiert?
15. Berechnen Sie den Bewegungsablauf eines Steins, der entweder fallengelassen
oder senkrecht nach oben geworfen wurde. Lassen Sie den Luftwiderstand weg.
Was ist an den beiden Aufgaben anders?
16. Ein Klotz mit einer Masse von 1.0 kg wird an einer Federwaage horizontal über
den Tisch gezogen. Man misst, dass man mit einer Kraft von 3.5 N zieht, während sich der Klotz konstant bewegt. Wie gross ist der Gleitreibungskoeffizient
zwischen Klotz und Tisch?
17. Ein Klotz wird an einem Seil nach oben gezogen. Seine Beschleunigung ändert
sich Sprunghaft. Zwei Sekunden lang ist sie 2.0 m/s^2 (Richtung nach oben ist
positiv). Dann ist sie 1.0 s lang Null, worauf sie 1.5 s lang – 3.0 m/s^2 beträgt.
Die Masse ist 10 kg. (a) Bestimmen Sie die Kraft, mit der das Seil am Klotz zieht,
als Funktion der Zeit. (b) Wie weit hat sich der Klotz in den ersten 4.5 s bewegt?
18. Bestimmen Sie die Bewegung eines Klotzes, der auf einer schiefen Ebene mit
einem Neigungswinkel von 30° rutscht. Er hat eine Masse von 2.0 kg. (a) Keine
Reibung. (b) Der Gleitreibungskoeffizient ist 0.35. (c) Nachdem der Klotz nach
oben gestossen wurde, bewegt er sich erst in diese Richtung.
Lösungen
2. Kein Impulstransport durch den Stein. 3. Kräfte: leitender und strahlungsartiger
Impulstransport; keine Kräfte: konvektiver Transport. 5. Keine Impulstransporte,
keine Änderung des Impulses, keine Änderung der Bewegung. 6. Nicht isoliert. Impuls-Zufluss vom Gravitationsfeld, gleicher Impulsabfluss an den Boden. 7. dp/dt =
m·a, Summe der Impulsströme = Summe der Kräfte. 8. Kein Produktionsterm. 9. Ja,
wenn er sich anfänglich so bewegt. Stossen und Ziehen führen zur Änderung der
Bewegung. 10. Es braucht für Bewegungsänderung des Körpers Impuls von aussen.
11. Muss die Luft sein. Der Schlag gibt dem Ball nur den Anfangsimpuls (und Anfangs-Drehimpuls). 15. Unterschied: Anfangsbedingungen. 16. µ = 0.35. 17. (a) 120
N, 100 N, 70 N. (b) 4 m + 4 m + 2.625 m = 10.625 m.