Fun und Physik - Movie Park Germany
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Fun und Physik Erlebe die physikalischen Phänomene der Achterbahnen Bottrop-Kirchhellen Inhalt 3 Willkommen 4 ERSTER TEIL Für Grundschulen 4 Freizeitparks – Wie alles anfing 5 Die verschiedenen Achterbahntypen 6 Bist du mutig? Na klar! 7 Was genau bedeutet Kapazität? 8 Die Zeit 9 Die Geschwindigkeit 10 ZWEITER TEIL Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium 10-11 Die Beschleunigung 12 Die Masse 13 Die Trägheit – Das Trägheitsgesetz 14 Die Kräfte 15-16 Die Schwerkraft und das Gewicht 17 Der freie Fall 18 Kräfte bei gradlinig beschleunigten Bewegungen 19 Die Schwerelosigkeit 20-23 Die Flieh- und die Zentripetalkraft Diese Broschüre wurde zusammengestellt von: Roger Demeure, Doktor der Physik und Lehrbeauftragter an der Katholischen Universität Leuven Diese Broschüre darf ausschließlich für den Gebrauch in der Schule kopiert werden, nicht für die kommerzielle Nutzung. Im Movie Park Germany, dem größten Film- und Entertainmentpark Deutschlands, kann man bei Fahrten mit den unterschiedlichsten Attraktionen eine ganze Reihe aufregender Erfahrungen machen. Hier kommt jeder auf seine Kosten, doch stellt dieser unvergessliche Ausflug auch die Gelegenheit dar, einige der maßgeblichen Naturgesetze kennen zu lernen, die das Leben auf unserem Planeten Erde bestimmen. Machen Sie sich die Beliebtheit unserer Parks zu Nutze, um das Wissen aus Ihrem Unterricht auf spielerische Art und Weise zu vermitteln. Willkommen Bei jeder Attraktion unseres Parks können Sie die Reaktionen Ihres Körpers beobachten und sich über Ihre dabei wahrgenommenen Empfindungen Fragen stellen: • Warum falle ich eigentlich beim Looping der Achterbahn nicht heraus? • Ist es normal, das ich bei einem Katapultstart in meinen Sitz gedrückt werde? • Warum habe ich den Eindruck, als würde ich abheben, wenn „The High Fall“ (Gyrodrop-Tower) nach unten fällt? • Warum werde ich nach vorn gedrückt, wenn der „Bandit“ Roller Coaster abrupt bremst? • Rutschen in den Kurven eigentlich alle Menschen zur Seite? In dieser Broschüre werden die Antworten auf diese und noch andere Fragen gegeben. Außerdem bieten wir Ihnen eine einzigartige Gelegenheit: die Phänomene, die sonst nur aus Büchern bekannt sind selber zu erleben. Kindern und Jugendlichen können Sie die physikalischen Grundprinzipien unterhaltsam und leicht verständlich nahe bringen. Durch die bloße Beobachtung von Bewegungen und Reaktionen des Körpers machen sich Ihre Schüler oder Ihre Kinder mit so wichtigen physikalischen Begriffen wie Masse, Gewicht, Trägheit, Schwer- und Fliehkraft vertraut. Diese Broschüre soll Ihnen bei Ihrer Entdeckungsreise in unserem Freizeitpark als Leitfaden dienen, denn in ihr sind Aufgaben, Experimente und Erklärungen enthalten,die Ihnen helfen, alle diese physikalischen Begriffe praxisorientiert zu veranschaulichen. Außerdem werfen wir einen Blick auf die Anfänge der Physik und wie diese Wissenschaft den Bau hochmoderner Themenparks wie Movie Park Germany ermöglichte. Und selbstverständlich soll dabei der Spaß im Vordergrund stehen! Übrigens sind in der Broschüre zwei Teile mit Erläuterungen enthalten: ein erster Teil ist für Grundschulen und ein Zweiter für weiterführende Schulen gedacht. Wir wünschen Ihnen und Ihren Schülern viel Spaß beim studieren dieser Broschüre und einen anschließenden unvergesslichen Tag im Movie Park Germany. BIS BALD! 3 Teil 1 für Grundschulen FREIZEITPARKS: WIE ALLES ANFING Die Eispisten aus Russland Die Entdeckungen von Physikern wie Galilei und Newton ermöglichten den Bau von Attraktionen. Diese Gelehrten untersuchten Phänomene wie z. B. die Schwerkraft, den freien Fall und die Beschleunigung. So erblickten vor Hunderten von Jahren die Vorläufer der Achterbahnen von Movie Park Germany das Licht der Welt. Bereits im 15. Jahrhundert wurden in Russland während kalter Winter Eispisten auf Holzgerüsten gebaut. Um auf diese Gerüste zu kommen, musste man eine Treppe hoch steigen; dann ließ man sich in atemberaubender Geschwindigkeit nach unten gleiten. Gegen 1700 wurden vergleichbare Rutschbahnen – allerdings ohne Schnee und Eis – gebaut, auf denen man mit einer Art Schlitten auf Rädern nach unten fuhr. Die erste entgeltliche Fahrt in Amerika Im 19. Jahrhundert wurden die ersten Rutschbahnen gebaut, die eine geschlossene Bahn darstellten. Dabei wurden die Wagen von Menschen, Tieren und manchmal auch mit Drahtseilen bis nach oben gezogen. In derselben Epoche, so etwa gegen 1840, versuchte man, die ersten Bahnen mit Kurven zu bauen. In den ersten Jahren des 19. Jahrhunderts wurde in einem Bergwerk in Pennsylvania ein Schienensystem zum Kohlentransport entwickelt bei dem sich die Wagen nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegten. Bei der Schließung des Bergwerks im Jahre 1870 wurde diese Schienenstrecke von 30 Kilometer Länge zu einer Attraktion. Für einen Dollar konnte man in einem der Wagons Platz nehmen und sich auf eine spannende eineinhalbstündige Fahrt begeben. Und so musste man für eine schnelle Abfahrt zum ersten Mal Geld bezahlen. Auf Englisch nennt man eine solche Fahrt „coast“, von daher kommt übrigens auch das englische Wort für Achterbahnen: „roller coaster“. Die Geburtsstunde der Themenparks Im Jahre 1927 baute man die ersten Metallgerüste. Das war damals eine bedeutende Neuerung, denn zuvor hatte man hauptsächlich Holz verwendet. Bis zum Jahre 1929 haben eine ganze Reihe von Unternehmen 1.500 solcher „roller coasters“ (Achterbahnen) gebaut. Doch dann setzte die Wirtschaftskrise den goldenen „Achterbahnzeiten“ ein Ende, sodass 1959 nur noch zwei Achterbahnkonstrukteure übrig waren. Nach dem Zweiten Weltkrieg begannen die Amerikaner mit dem Bau von Themenparks in der heutigen Form. 4 Teil 1 für Grundschulen DIE VERSCHIEDENEN ACHTERBAHNTYPEN Die erste Achterbahnfahrt auf dem Kopf! Nach den ersten Versuchen zu Anfang des 19. Jahrhunderts konnte man erst 1975 eine Achterbahnfahrt mit einem vollständigen Looping machen. Diese Achterbahn trägt den Namen „Revolution“, und wurde anlässlich der 200-Jahrfeier der Vereinigten Staaten in Kalifornien gebaut. Mittlerweile gibt es sogar Achterbahnen mit sechs aufeinander folgenden Loopings. Damit hat sich seit den ersten Eispisten aus Russland einiges verändert; die Achterbahnen werden zunehmend spektakulärer. Dazu kommt noch, dass in jüngster Zeit alle Berechnungen von Computern gemacht werden und der Bau einer Achterbahn mit höchster Genauigkeit erfolgt. So kann zum Beispiel eine Bahn aus mehreren schnellen Kurven bestehen, auf die dann ein oder mehrere Loopings folgen. Die einzelnen Achterbahntypen Es gibt Holzachterbahnen, bei denen alles - auch das Gerüst und die Wagen - aus Holz gebaut wird. Allerdings haben Holzachterbahnen in der Regel keinen Looping. Auch waren sie früher meist nicht so hoch, nicht so schnell und hatten keine so starken Gefälle. Dennoch konnte es einem dabei ganz schön schwindlig werden. Natürlich gibt es auch Stahlachterbahnen. Bei denen fahrt ihr mit dem Kopf nach unten durch Kurven hindurch. Stahlachterbahnen sind meist größer und schneller als Holzachterbahnen. Was es sonst noch an Achterbahnen gibt • Auf manchen Achterbahnen fahren die Züge vorwärts und rückwärts. • Es gibt auch Achterbahnen, wie z.B. die MP XPress-Achterbahn an denen die Wagen so aufgehängt sind, dass eure Füße frei in der Luft schweben. • Es gibt sogar Achterbahnen, auf denen man im Stehen fährt. • Auf einigen Achterbahnen, werdet ihr einfach nach vorne katapultiert. Weil der Fortschritt keine Grenzen kennt, werden jedes Jahr neue Achterbahnen entwickelt und gebaut, die du in unseren Parks entdecken kannst. Hier findest du weitere Informationen: Wenn du wirklich alles über Achterbahnen wissen willst, dann wirf mal einen Blick ins Internet. Dort findest du auf den Websites www.moviepark.de, www.coastersandmore.com ganz bestimmt, was du suchst. Webtip: Eine genaue Auflistung aller Achterbahnen und Freizeitparks weltweit, mit allen relevanten technischen Daten und weiteren hilfreichen Informationen, kannst du im Internet finden unter: www.rcdb.com 5 Teil 1 für Grundschulen BIST DU MUTIG? NA KLAR! Wenn du vor einer Achterbahn stehst und siehst, wie die Wagen in atemberaubender Geschwindigkeit durch die Kurven jagen oder durch einen Looping nach dem anderen brausen, hast du vielleicht ein bisschen Angst davor auch mitzufahren. Doch sei unbesorgt: die Attraktionen sind ganz sicher. Mit Hilfe physikalischer Formeln und Berechnungen wurden sie so gebaut, dass überhaupt kein Risiko besteht. Sicherheit geht vor! Bei allen Attraktionen von Movie Park Germany steht die Sicherheit im Vordergrund. Und das gilt sowohl für die Besucher als auch für die Angestellten und macht sich durch die Einhaltung drei wesentlicher Prinzipien bemerkbar: • Inspektionen Bevor der Park zu Anfang der Saison seine Tore öffnet, muss jede Attraktion ein offizielles „Sicherheitszertifikat“ erhalten. Dies ist Pflicht und von Behörden vorgeschrieben. Erst wenn unabhängige Prüfer vom TÜV, festgestellt haben, dass alles ordnungsgemäß funktioniert, wird dieses amtliche Dokument ausgestellt. Während der Saison werden alle Attraktionen täglich überprüft – und zwar noch bevor die Besucher in den Park strömen. Jede Attraktion ist mit einer Prüfliste versehen, in der zahlreiche Punkte aufgelistet sind, auf die der technische Dienst und der Leiter der jeweiligen Attraktion besonders zu achten haben. Diese Listen umfassen manchmal vier Seiten! • Integrierte Technik Die Attraktionen sind mit vielen technischen Anwendungen ausgestattet, durch die Zwischenfälle nahezu ausgeschlossen werden. So sind beispielsweise die Achterbahnen in mehrere „Blöcke“ eingeteilt, von denen jeder einzeln gesichert und an einen Computer angeschlossen ist. Stellt der Computer fest, dass der Zug durch einen bestimmten Block fährt, darf der andere Zug erst abfahren, wenn dieser Block wieder frei ist. So können die Züge niemals zusammenstoßen! Und sollte ein Sicherheitssystem trotzdem einmal ausfallen, übernimmt sofort ein Reservesystem die Kontrolle. • Strenge Mitarbeiterschulung Alle Mitarbeiter, die eine Attraktion überwachen, erhalten zunächst eine strenge Ausbildung. Dabei lernen sie, wie die Attraktion genau funktioniert, wie sie in Betrieb zu nehmen ist und worauf bei der täglichen Überprüfung geachtet werden muss. 6 Teil 1 für Grundschulen WAS GENAU BEDEUTET KAPAZITÄT? Die Kapazität eines Freizeitparks gibt die Höchstzahl der Personen an, die sich gleichzeitig in einem Park befinden dürfen. Die stündliche Kapazität einer Attraktion umfasst die maximale Anzahl der Personen, die während einer Stunde mit einer Attraktion fahren dürfen. Aufgabe 1. Stell dir vor, dass an den Kassen eines Freizeitparks an einem Tag mit großem Andrang durchschnittlich 2000 Tickets pro Stunde verkauft werden. Du kannst die Tickets an den Kassen des Parks zwischen 9:00 Uhr morgens und 16:00 Uhr nachmittags kaufen. Rechne aus, wie viele Personen pro Tag durchschnittlich in den Park kommen könnten. Antwort Man verkauft sieben Stunden lang Tickets. Der Park könnte also 7 x 2000 = 14.000 Personen aufnehmen. hast dich zu einer Fahrt auf dem „Bermuda Dreieck“ entschlossen, das eine stündliche Kapazität von durchschnittlich 1400 2. DuPersonen hat. Du stellst dich hinten an und bemerkst, dass noch 700 Personen vor dir sind. Wie lange musst du ungefähr noch warten, bis du in eines der Boote steigen darfst? Antwort Bei 700 Personen musst du so lange warten: 60 Min. x (700:1400) = 30 Min. Tageskapazität des Movie Parks Germany beträgt 30.000 Besucher. An einem Tag mit besonders großem Andrang 3. Die kommen pro Stunde durchschnittlich 6000 Besucher an die Kassen der Parks. Die Kassen öffnen um 10:00 Uhr. Nehmen wir an, dass alle in den Park gehenden Personen bis zur Schließung des Parks bleiben. Wann müssen die Kassen geschlossen werden, wenn man die Überfüllung des Parks verhindern möchte? Antwort Die zur Erreichung der maximalen Kapazität des Parks notwendige Zeit beträgt: 30.000 : 6000 = 5 Stunden. Die Kassen müssen also um 15:00 Uhr geschlossen werden. 7 Teil 1 für Grundschulen DIE ZEIT Beobachtung Nehmen wir an, du wärst mit einem Klassenkameraden zu einer bestimmten Zeit in der Nähe einer Attraktion verabredet und bist gerade auf der anderen Seite des Parks. Du fragst dich dann sicherlich, wie viel Zeit du brauchst, um zu der von dir gewählten Attraktion zu gehen. Um die Antwort auf diese Frage zu bekommen, musst du den Begriff Zeit genauer kennen lernen. Ein bisschen Geschichte Zuerst wurde die Zeit mit Hilfe natürlicher, wiederkehrender Phänomene gemessen: Tag und Nacht, Mondphasen, Jahreszeiten usw. Das auf Stunden, Minuten und Sekunden beruhende Zeitmesssystem stammt aus der Antike und wurde seitdem nicht mehr verändert. Definition Unter einem Zeitpunkt versteht man z.B. eine bestimmte Uhrzeit. So ist der Zeitpunkt der Parköffnung 9:00 Uhr. Die Zeit bzw. der Zeitraum ist der zwischen zwei Zeitpunkten gemessene Abstand. Wenn du zum Beispiel sagst, dass du um 8:00 Uhr zu Hause weggegangen bist um zur Schule zu gehen und dort um 8:20 Uhr angekommen bist, dann betrug die für die Strecke benötigte Zeit 20 Minuten. Für Berechnungen wird die Zeit in Sekunden (s) angegeben. Die Messung erfolgt z.B. mit Stoppuhren. Aufgabe du schon bemerkt, dass die Maßeinheiten für die Uhrzeit nicht auf dem Dezimalsystem beruhen? 1. Hast Weißt du noch, wie viele Sekunden eine Minute hat? Antwort 1 Min = 60 s wie viele Sekunden haben eine Stunde und ein Tag? 2. Und Antwort 1 Stunde = 3600 s; 1 Tag = 86.400 s du in den Park hineingehen kannst, musst du dich an der Kasse hinten anstellen. Dort stellst du fest, dass jede Person 3. Bevor 1 Minute und 45 Sekunden benötigt, um ihre Tickets zu erhalten. Vor dir sind noch zwölf wartende Personen. Wie viel Zeit (in Sekunden) musst du noch warten, bis du endlich die Attraktionen des Parks ausprobieren kannst? Antwort Wartezeit pro Person = (60 + 45)s = 105s, also gesamte Wartezeit: (12 x 105)s +105s = 1365s einem Orientierungslauf ist die beste Mannschaft um 14:00 Uhr gestartet und um 14:53 Uhr angekommen. 4. Bei Berechne die benötigte Zeit in Sekunden. Antwort Dauer = 53 Min. = (53x60s) = 3180s 8 Teil 1 für Grundschulen DIE GESCHWINDIGKEIT Beobachtung Die Gesamtlänge der Schienen der Achterbahn beträgt 246 Meter. Die Geschwindigkeit, mit der der Zug an dir vorbeifährt, ist beeindruckend. Sicherlich würdest du diese Geschwindigkeit gerne berechnen. Aber wie geht das eigentlich? Zunächst einmal siehst du auf deine Uhr und wirst dann feststellen, dass der Zug für eine komplette Fahrt zwei Minuten benötigt. Und dann... Definition Alles, was sich bewegt, tut dies mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Je schneller ein Gegenstand ist, um so größer ist der in einer bestimmten Zeit zurückgelegte Weg. Somit kann man die Geschwindigkeit berechnen, indem man den zurückgelegten Weg durch die dafür benötigte Zeit dividiert. Geschwindigkeit = Weg= Zeit Zeit= Weg Geschwindigkeit Weg = Geschwindigkeit x Zeit Die Geschwindigkeit wird in Meter pro Sekunde (m/s) gemessen. Im Alltag wird dieser Wert in Kilometer pro Stunde (km/h) ausgedrückt. Erweitere dein Wissen! Die Geschwindigkeit der Achterbahn beträgt: 246 : (2 x 60)m/s = 2,05m/s also etwa 7,38 km/h. Stimmt, das ist eigentlich nicht sehr schnell... Warum kam dir der Zug dann so schnell vor, als er an dir vorbeifuhr? Während der gesamten Fahrt verändert sich seine Geschwindigkeit ständig, sodass sie manchmal unter und manchmal über diesem Wert liegt. Die von dir soeben berechnete Geschwindigkeit nennt man die „Durchschnittsgeschwindigkeit“ der Achterbahn- Zuges. Sie verrät dir nichts über die Geschwindigkeit an einer bestimmten Stelle auf der Achterbahn, eine solche Geschwindigkeit wird als „Momentangeschwindigkeit“ bezeichnet. Wenn man die Durchschnittsgeschwindigkeit kennt, weiß man noch nichts über die „Höchstgeschwindigkeit.“ Aufgabe du schon, dass einige 1. Wusstest eine Geschwindigkeit von 110 Fahrzeuge in den Freizeitparks km/h erreichen können? Die Durchschnittsgeschwindigkeit einer Fahrt kannst du errechnen, indem du den zurückgelegten Weg durch die für die Fahrt benötigte Zeit teilst. Wenn der Achterbahn-Zug von der ersten Bergabfahrt zurückkommt, braucht er 0,78 Sekunden, um an dir vorbeizufahren. Berechne nun seine Geschwindigkeit an diesem Teil der Strecke, wenn du davon ausgehst, dass der Zug 18 Meter lang ist. Vergleiche den berechneten Wert mit der zuvor ermittelten Durchschnittsgeschwindigkeit. Antwort Jeder Wagen legt einen Weg von 18 m zurück, d.h. einmal die gesamte Zuglänge i n 0,78s Geschwindigkeit = Zuglänge: zwischen der Durchfahrt des ersten und letzten Wagens verstrichene Zeit, d.h. (18 : 0,78) m/s = 23 m/s. Dies entspricht etwa 83 wir an, du möchtest einmal mit der „Mad Manor“ fahren. Bei einem Blick auf den Parkplan stellst du fest, dass du 2. Nehmen 250 Meter zurücklegen musst. Weil du es auf dem Weg zu dieser Attraktion wirklich eilig hast, gehst du schneller, sodass deine Geschwindigkeit 5,4 km pro Stunde beträgt. Wie viel Zeit (in Sekunden) wirst du brauchen, bis du bei der Attraktion angekommen bist? Antwort Deine Geschwindigkeit beträgt (5400 : 3600) m/s = 1,5 m/s, also brauchst du zur Erreichung deines Ziels: (250:1,5) m/m/s = 166,6 s 9 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE BESCHLEUNIGUNG Beobachtung Gerade wurde darauf hingewiesen, dass die Geschwindigkeit einer Attraktion nicht immer konstant bleibt. Folglich bist du bei einer Fahrt mit einer Attraktion beim Movie Park Germany ständig den Veränderungen der Geschwindigkeit ausgesetzt. Und diese Veränderungen können je nach Attraktion mehr oder weniger abrupt erfolgen. Mit anderen Worten: der Wechsel deiner Geschwindigkeit kann sich innerhalb eines kurzen oder etwas längeren Zeitraums vollziehen. Definitionen Um diese Erscheinung zu messen, wurde in der Physik der Begriff der Beschleunigung eingeführt. Wenn die Geschwindigkeit steigt, spricht man von Beschleunigung. Nimmt sie ab oder hältst du an, spricht man von Bremsen bzw. negativer Beschleunigung. Zur Berechnung dieses Phänomens wird auf die mathematische Formel der durchschnittlichen Beschleunigung während der Dauer der Bewegung zurückgegriffen. Je größer die Geschwindigkeitsänderung in einer bestimmten Zeit ist, um so größer ist die Beschleunigung. Analog zur Geschwindigkeit erhöht man die Beschleunigung Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung Zeit 2 Die Größe der Beschleunigung wird in Metern pro Sekunde (m/s/s oder m/s ) angegeben. Wenn du immer dieselbe Beschleunigung fährst, erhöht sich deine Geschwindigkeit in jeder Sekunde um einen deiner Beschleunigung entsprechenden Wert. Geschwindigkeit = Beschleunigung x Zeit Aufgabe Auf dem „High Fall“ stürzt du so schnell in die Tiefe, dass du innerhalb von 2,5 s eine Geschwindigkeit von 45 m/s (160 km/h) erreichst. Damit beträgt deine Beschleunigung 18 m/s2. In jeder verstrichenen Sekunde erhöht sich diese Geschwindigkeit um 18 m/s. Zeit 1s 2s 3s Geschwindigkeit 18 m/s 36 m/s 54 m/s Zurückgelegter Weg 9m 36 m 81 m dir die Angaben in dieser Tabelle genau an. Welche Geschwindigkeit und welche Strecke hättest du nach vier Sekunden 1. Sieh erreicht bzw. zurückgelegt? Antwort Geschwindigkeit = (4 x 18) m/s = 72 m/s, also fast 260 km/h dir vor, du wirst mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h in die Tiefe stürzen und möchtest innerhalb von drei Sekunden 2. Stell anhalten. Welcher Geschwindigkeitsverringerung bzw. negativen Beschleunigung wärst du dabei ausgesetzt? Antwort Du gelangst von einer Geschwindigkeit in Höhe von (120.000 m/3600s = 33,33 m/s) in den Ruhezustand, d.h. auf eine Geschwindigkeit von = 0 m/s. Damit ergibt sich folgende negative Beschleunigung oder Geschwindigkeitsverringerung: (0 – 33,33) : 3 = - 11,11 m/s/s = - 11,11 m/s2 10 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium Wie könntest du jetzt feststellen, ob du dich mit einer konstanten Geschwindigkeit fortbewegst oder einer Beschleunigung ausgesetzt bist? Und überhaupt: in welche Richtung verläuft diese Beschleunigung? Dafür musst du dir einen Beschleunigungsmesser bauen (siehe Zeichnung). Besorge dir folgende Gegenstände: • eine durchsichtige Plastikflasche (Cola-, Limonaden- oder Mineralwasserflasche). Wirf aber den Verschluss der Flasche nicht weg, denn den brauchst du noch! • ein Stück Nylonschnur, so wie sie zum Beispiel von Anglern verwendet wird. • einen Korken, oder noch besser: den Schwimmer einer Angel. Fülle die Flasche zu zwei Dritteln mit Wasser und befestige den aufbewahrten Verschluss der Flasche an einem der beiden Schnurenden. Am anderen Ende befestigst du den Schwimmer. Jetzt führst du das Ende mit dem Schwimmer und der Schnur in die Flasche ein und drehst den Verschluss zu. Dreh die Flasche nun um und du wirst feststellen, dass der Schwimmer durch die Flüssigkeit getragen wird und sich die Schnur spannt. Damit ist dein Beschleunigungsmesser fertig! Nun musst du ihn nur noch ausprobieren, doch sei dabei vorsichtig... Erklärung der Funktionsweise: Weil Wasser ein höhere Dichte besitzt als der Schwimmer, weist es eine größere Trägheit auf. Wird die Flasche einer Beschleunigung nach rechts ausgesetzt, wird das Wasser zur linken Seite hin gedrückt. Durch eine Erhöhung des Drucks auf die linke Seite des Schwimmers wird dieser nach rechts gedrückt, dies ist die Richtung der Beschleunigung. Deine Empfindungen Da dein Körper Beschleunigungen selbst wahrnehmen kann, kannst du die Beschleunigungen bei einer Fahrt mit den Attraktionen ganz leicht ohne den Beschleunigungsmesser (Gerät zur Messung der Beschleunigung) spüren. Die Werkzeuge, die deinem Körper zur Verfügung stehen, um die Beschleunigung zu messen, könnte man als „natürlichen Beschleunigungsmesser“ bezeichnen. Befassen wir uns ein wenig mit der Art, in der dein „natürlicher Beschleunigungsmesser“ die verschiedenen Beschleunigungen ermittelt. Richtung der Beschleunigung Technischer Fachbegriff Empfindung Nach oben mehr Vertikal Du fühlst dich an deinen Sitz gepresst. Je höher die Beschleunigung, destso fühlst du dich „erdrückt“ Nach unten Vertikal Du hast den Eindruck, du würdest von deinem Sitz abheben und dein Magen gegen den Hals gedrückt werden. Nach vorne deine Horizontal Du denkst, du würdest nach hinten in deinen Sitz geworfen. Dein Kopf und Schultern können nach hinten geschleudert werden. Nach hinten gedrückt. Horizontal Es kommt dir vor, als würdest du gegen die Sicherheitsstange deines Sitzes Von links nach rechts lateral Man rutscht nach links, analog mit rechts. Von rechts nach links lateral Deine Schultern können gegen die Seite deines Sitzes oder gegen deinen Dein Kopf und deine Schultern können nach vorne geschleudert werden. 11 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE MASSE Beobachtungen Kannst du dir ungefähr vorstellen, wie viel Eisen zum Bau des MP XPress verwendet wurde? Was meinst du: Ist es leichter, „Bandit“ in Bewegung zu setzen, wenn niemand mitfährt oder wenn alle Wagen voll besetzt sind? Diese beiden Fragen brachten Physiker zur Festlegung des Begriffs der Masse. Definition Die Masse eines Körpers kann für zwei seiner Merkmale stehen: •die Menge der Materie, aus der dieser Körper besteht: diese wird durch Verwendung einer Waage ermittelt (siehe nebenstehende Zeichnung). Ähnliche Waagen kann man manchmal noch auf Märkten entdecken; gelegentlich wird aber auch auf jene Waagen zurückgegriffen, die du beim Einkaufen in den Geschäften sehen kannst. Der dabei erhaltene Wert wird als schwere Masse bezeichnet. •die Schwierigkeit, einen Körper in Bewegung zu setzen – doch davon später mehr. Deswegen spricht man auch von träger Masse. Vielleicht wusstest du schon... Masse und Gewicht dürfen auf keinen Fall verwechselt werden. Masse wird in Kilogramm (kg) angegeben. Dies ist die offizielle Maßeinheit. Gewicht dagegen wird in Newton (N) angegeben. Dies ist ein im Alltag oft begangener Irrtum. Die Masse verändert sich trotz ihres Aufenthaltsortes nicht. Das heißt, dass sich die Menge der Materie nicht ändert. In der Physik sagt man, die Masse eines Körpers ist konstant. Ein Beispiel: die Masse eines Kilogramm Popcorn ändert sich nicht, egal ob man sich auf dem Mars oder bei Movie Park Germany befindet. Dagegen ist das Gewicht eines Körpers – und darauf soll später noch einmal hingewiesen werden – nicht konstant, denn es ändert je nach Ort. Genau deswegen hat ein Astronaut auf dem Mond ein anderes Gewicht als auf der Erde. Aufgabe du noch andere Maßeinheiten für die Masse? 1. Kennst Antwort Tonne, Hektogramm, Dekagramm, Kilogramm, Dezigramm, Zentigramm, Milligramm du schon einmal darauf geachtet, dass Körper mit gleichem Volumen aber aus unterschiedlichen Stoffen nicht dieselbe 2. Hast Masse haben? Kannst du Beispiele nennen? Um diesen Unterschied zu verdeutlichen, wurde der Begriff „Dichte“ eingeführt. Einen Styroporblock von 10 cm x 10 cm x 10 cm Größe (Volumen von 1 dm3) kannst du problemlos anheben. Könntest du das auch mit einem Stück Eisen, welches das gleiche Volumen aufweist? Antwort Ein Volumen von 1 dm3 Eisen besitzt eine Masse von 7,86 kg, während das gleiche Volumen an Styropor eine Masse von wenigen Gramm besitzt. 12 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE TRÄGHEIT DER TRÄGHEITSSATZ Beobachtungen Ein ziemlich ungewöhnliches Wort für etwas, was jeder von uns doch eigentlich schon unzählige Male erlebt hat. Du bist in einen Wagen von „Bandit“ oder „Mad Manor“ gestiegen. Der Zug fährt ab und du wirst nach hinten gegen deinen Sitz gedrückt. Wenn die Fahrt mit der Attraktion zu Ende ist und der Zug bremst, wirst du nach vorne geschleudert – zum Glück gibt es die Sicherheitsstange. Aber was geschieht dabei genau? Warum bewegt sich dein Körper, wo doch niemand an ihm zieht oder ihn wegdrückt? Stellen wir uns eine andere Situation vor, die du sicherlich schon einmal erlebt hast. Nehmen wir an, du sitzt in einem Eisenbahnwagon und vor dir ist ein Tablett, auf dem ein Glas Limonade steht. Hier werde ich nach vorne Gedrückt und das Glas Limonade rutscht gegen den Vordersitz. Was stellst du fest? Der Gegenstand gleitet nach hinten und du hast den Eindruck, als Würdest du in die Rücklehne deines Sitzes gedrückt. Auf einmal setzt sich der Zug in Jetzt musst du dein Glas schnell in die Hand nehmen, wenn es nicht umfallen Was ist passiert? Man sagt, dass du und dein auf dem Tablett abgestelltes Glas „Trägheit“ besitzen. Mit anderen Worten: dass eure Masse keine „Lust“ hat, Geschwindigkeitsänderungen des Zuges mitzumachen. Ihr behaltet euren Bewegungszustand bei. Wenn ihr ruht wollt ihr in Ruhe verharren, wenn ihr euch mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wollt ihr eure Geschwindigkeit beibehalten. Halten wir fest – auch davon später mehr -, dass dieses Phänomen auch auftritt, wenn du auf gerader Strecke fahrend in eine Kurve einbiegst. Aufgabe Warum wirst du nach vorne geschleudert, wenn der Wagen der Achterbahn „Bandit“ anhält? Warum hast du das Gefühl, nach links oder nach rechts zu gleiten, wenn du mit einem Auto auf gerader Strecke fahrend in eine Kurve einbiegst? Was passiert, wenn •du in einem Zug sitzt und der Lokführer plötzlich abfährt? •der Zug in einem Bahnhof abrupt anhält? •du dich in einem Bus an einer Haltestange fest hältst und der Busfahrer plötzlich in eine Kurve fährt? Was passiert, wenn du beim Fahrrad fahren blitzschnell vor einem Hindernis bremsen musst? 13 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE KRAFT Beobachtungen Warum setzen sich die Wagons der „Roller-Coaster“ in Bewegung? Warum gelangen die Boote des „Ice Age Adventure“ von einem Ufer zum anderen? Oder wie kommt es eigentlich, dass du auf dem „High Fall“ nach unten fällst? Solche Fragen kannst du dir während deines gesamten Parkbesuchs ständig stellen. Alle diese Phänomene sind auf Zug- und Schubkräfte zurückzuführen. Definitionen Vielleicht weißt du schon, dass eine Kraft im Allgemeinen angesehen wird als „Fähigkeit, einen Körper zu verformen oder dessen Bewegung zu verändern.“ Auf einer Zeichnung oder einem Foto wird eine Kraft durch einen Pfeil (Vektor) dargestellt. Dieser Pfeil verkörpert die Merkmale einer Kraft, wie zum Beispiel deren Richtung, Einwirkungspunkt und Stärke. An dieser Stelle muss nun eine sehr wichtige Bemerkung erfolgen. Die von dir ausgemachten Kräfte können nämlich in zwei völlig unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden: Aufgabe Kennst du noch andere Kräfte? • Die Reibungskraft, die verhindert, dass du mit deinen Schuhen ausrutschst. • Die Druckkraft des Windes, durch welche die Segel eines Schiffes aufgebläht werden. • Die als „Auftriebskraft“ bekannte Kraft, mit deren Hilfe du nicht untergehst, wenn du im Schwimmbad den „toten Mann“ machst. 14 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE SCHWERKRAFTDIE GEWICHTSKRAFT Beobachtungen Warum schwebst du nicht in der Luft? Wie kommt es, dass du vom höchsten Punkt des „High Fall“ sofort wieder hinunterfällst? Denke noch einmal an die eben erwähnten wahren Kräfte und daran, dass immer dann von einer solchen Kraft gesprochen wird, wenn du von etwas oder jemandem gezogen oder geschoben wirst. Doch genau das kommt einem hier seltsam vor, gibt es hier doch gar nichts, was in irgendeiner Form auf dich einwirken könnte... Definitionen Die Experimente von Galilei führten zu der Entdeckung, dass sich alle Körper Gegenseitig anziehen. Dabei handelt es sich um eine Kraft, die aus der Ferne wirkt und „Gravitationskraft“ genannt wird. Dies gilt insbesondere für alle Gegenstände und Personen auf der Erde, die von eben dieser angezogen werden. In diesem Fall spricht man von Schwerkraft oder Gewichtskraft. Resultat „Alle Objekte sind einer Beschleunigung in Richtung Erdschwerpunkt ausgesetzt.“ Die Richtung der Kraft steht senkrecht auf der Erdoberfläche (dies ist auch die Richtung des vom Maurer oder Maler verwendeten Senkbleis). Die Schwerkraft gibt es übrigens auf allen Planeten, allerdings – und darauf wird gleich hingewiesen – mit einer unterschiedlichen Stärke. Noch einmal zur Erinnerung: Gewichtskraft = Masse x g Masse = dein Gewicht (z. B. 40 kg) oder das Gewicht eines beliebigen Gegenstandes g = Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft = 9,809 m/s2 in Berlin, Paris oder Brüssel. Nicht vergessen: da es sich bei der Gewichtskraft um eine Kraft handelt, wird diese in N(ewton) und nicht in kg gemessen. Dennoch wirst du feststellen, dass Kilogramm im Alltag noch oft als Maßeinheit für Gewicht verwendet wird. Ein Kilogramm ist das in Paris von einer Masse von 1 kg gemessene Gewicht. Eine Personenwaage, von der ihr wahrscheinlich eine zu Hause habt, misst das Gewicht in Kilogramm – daher kommt auch die mögliche Verwechslung zwischen Masse und Gewicht. Unten stehende Tabelle soll dir als kleine Gedächtnisstütze dienen: Größe Masse Gewicht Einheit Kg N 1 kg = 10 N Messinstrument Balkenwaage Dynamometer Personenwaage Eigenschaft Ortsunabhängig Ortsabhängig Aufgabe In Paris beträgt die auf die Schwerkraft zurückzuführende Fallbeschleunigung (g) 9,809 m/s2, während sich am Äquator lediglich auf 9,78 m/s2 beläuft. Welches Gewicht hätte eine Masse von 30 kg an diesen beiden Orten? Gib die Gewichtskraft in Newton und dann in kg an. Antwort Eine Masse von 30 kg besitzt in Paris ein Gewicht von 30 kg, d.h. (30 x 9,809) N(ewton) oder 294,27 N. Dagegen beläuft sich das Gewicht dieser Masse am Äquator (g = 9,78 m/s2) auf (30 x 9,78) N = 293,4 N oder 30 x (9,78 : 9,809) kg = 29,94 kg. Damit ist diese Masse am Äquator leichter als in Paris. Die Abweichungen des Werts g sind auf der Erde von einem Ort zum andern recht gering. Ein guter Näherungswert ist deswegen: 1 kg = 10 N 15 Der Wert g (Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft) Auf der Erde beträgt die Fallbeschleunigung g etwa 10 m/s2. Wenn du dich zum Beispiel im Fallen befindest und die Reibungskräfte der Luft unberücksichtigt lässt, erhöht sich deine Geschwindigkeit in jeder verstrichenen Sekunde um 10 m/s. Die Gewichtskraft hängt also von dem ab, was gerade definiert wurde, und zwar: •von der Masse des Körpers, welcher der Anziehungskraft ausgesetzt ist (z. B. ich selbst oder ein Elefant), •von der Höhe, in der du dich befindest (auf Meereshöhe oder auf der Zugspitze), •vom geografischen Breitengrad in deiner Nähe (z. B. am Nordpol oder am Kap Kennedy in Florida), • vom Planeten (Masse), auf dem du bist und dessen Schwerkraft auf dich einwirkt (z.B. Erde oder Mars). Erweitere dein Wissen! • Ein Blick auf die Tabelle verrät dir, dass sich der Wert g für eine Masse (z. B. für deine Masse von 35 kg) je nach Ort folgendermaßen ändert: Ort Wert für g Gewichtskraft Berlin, Paris oder Brüssel Montblanc Heißluftballon in 10.000 Meter Höhe Nordpol (in der Ebene) Äquator (in der Ebene) Mond (in der Ebene) Venus (in der Ebene) Mars (in der Ebene) 9,809 m/s2 9,806 m/s2 9,805 m/s2 9,832 m/s2 9,780 m/s2 1,670 m/s2 8,870 m/s2 3,720 m/s2 343,315 N(ewton) 343,210 N(ewton) 343,178 N(ewton) 344,120 N(ewton) 342,300 N(ewton) 58,450 N(ewton) 310,450 N(ewton) 130,200 N(ewton) Aufgabe 1. Deine Personenwaage zu Hause misst die Gewichtskraft und nicht die Masse! Wo müsstest du dich also gemäß oben stehender Tabelle wiegen, damit du zumindest den Eindruck hast, ganz leicht zu sein oder vielleicht stark abgenommen zu haben? Antwort Auf dem Mond 3. Du hast schon bemerkt, dass die Schwerkraft auf dem Mond etwa ein Sechstel der Erdanziehungskraft beträgt. Nehmen wir an, dass du im Sportunterricht auf der Erde eine Höhe von 1,20 m überspringen kannst. Wie hoch könntest du auf dem Mond springen? Antwort Sechs mal höher, also 7,2 m 2. Sicherlich hast du schon einmal Bilder von Astronauten gesehen, die auf dem Mond umhergehen. Warum hüpfen die Astronauten, um sich fortzubewegen? Antwort Da die Schwerkraft auf dem Mond viel geringer ist als auf der Erde, kann man durch kleine Sprünge viel größere Entfernungen überwinden und ermüdet dabei nicht so schnell. Denke hierbei nur an Kängurus. Wusstest du schon, dass die Wissenschaft, welche die örtlichen Veränderungen der Schwerkraft untersucht, Gravimetrie heißt? Kannst du Erde, Mond, Mars und Venus gemäß oben stehender Tabelle nach ansteigender Masse ordnen? Antwort Mond, Mars, Venus, Erde. 4. 16 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DER FREIE FALL Beobachtungen Du möchtest unbedingt den „High Fall“, einen Freifallturm, ausprobieren, weil du dort angeblich die unvergessliche Erfahrung des freien Falls machen kannst. Doch Moment: was ist eigentlich der freie Fall? Ein Objekt im freien Fall bewegt sich nur unter dem Einfluss der Schwerkraft fort. Es war Galilei, der als Erster vom Konzept des freien Falls sprach. Diese Attraktion umfasst drei ganz unterschiedliche Fahrtabschnitte •Die Fahrt bis zur Spitze des Turms. Auf die Fahrgastgondel wirkt eine Kraft ein, die sie ganz nach oben bringt. Die Größe der dazu notwendigen Kraft hängt von der Masse der Gondel und ihrer Passagiere ab. Die Kraft wird durch Motoren übertragen, wobei für Schwankungen hinsichtlich Gewicht und Fahrgastzahl eine Toleranz besteht. •Kurzes Verharren auf der Turmspitze. Hierbei bleiben die Fahrgäste für einen Moment „in der Luft.“ •Die tollkühne „Abwärtsfahrt“... Wodurch spürst du auf der Erde die Anziehungskraft? Um die Erdanziehungskraft unmittelbar zu spüren, musst du immer mit einem anderen Objekt in Kontakt sein, wie z. B. dem Boden, auf dem du stehst, oder dem Stuhl, auf dem du sitzt usw. Objekte wie Boden und Stuhl üben auf dich eine Kraft aus, die man „Reaktionskraft“ nennt. Wenn du auf einem Stuhl sitzt, wirken zwei Kräfte auf dich. Die Gravitationskraft der Erde zieht dich an, während dich der Stuhl mit einer gleich großen entgegengesetzt orientierten Kraft nach oben drückt. Infolgedessen hast du bei allen Attraktionen, wo eine solche Reaktionskraft fehlt, ein Gefühl der Schwerelosigkeit - du fühlst dein Gewicht nicht mehr. Genauso kommt es auch zu einem Eindruck der Schwerelosigkeit, wenn du eine Bewegung in Form des freien Falls ausführst: • beispielsweise bei einer Fahrt mit der Bandit-Achterbahn. • aber auch bei allen anderen Attraktionen mit Berg- und Talfahrten, zum Beispiel „Mad Manor”Achterbahn, deren Form genaustens berechnet wurde. 17 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium KRÄFTE BEI GRADLINIG BESCHLEUNIGTEN BEWEGUNGEN Beobachtungen Was bedeutet es, wenn du in einer Attraktion einer Kraft von 4 G ausgesetzt bist? Ganz einfach: dies ist die Kraft, die du im Vergleich zu deinem Gewicht auf der Erde spürst. Ort G Deine Empfindungen Erde Mond Schwerelosigkeit Sonne 1 1:6 0 30 Du spürst dein Gewicht einmal. Du spürst nur ein Sechstel deines Gewichts. Du spürst überhaupt nichts, denn du schwebst. Dein Gewicht wäre dreißig mal so hoch. Du kämst dir erdrückt vor. Wenn du eine Fahrt mit bestimmten Attrakionen unternimmst, kannst du Veränderungen der G-Kraft wahrnehmen: •Wenn du beim Start nach oben geschossen wirst, fühlst du dich an deinen Sitz gedrückt. Die wahrgenommene Kraft (Reaktion deines Sitzes auf dich) ist höher als dein Gewicht: G >1. Zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht diese Kraft fast dem Zweifachen deines Gewichts: G = 2. •Sobald dein Sitz wieder nach unten fällt, hast du das Gefühl, du würdest gar nicht mehr in ihm sitzen. Das bedeutet, dass G abnimmt. Und zu einem anderen Zeitpunkt spürst du deinen Sitz überhaupt nicht mehr – du empfindest ein Gefühl der Schwerelosigkeit, in der G = 0 ist. Die auf dich einwirkende Kraft G = Gewichtskraft g= die auf die Schwerkraft zurückzuführende Beschleunigung Gewicht= deine Masse x g Halten wir fest, dass ein zu großer G-Wert zu Problemen wie z. B. Bewusstlosigkeit führen kann. Bei den Attraktionen liegt der Wert von G meist unter 4. Aufgabe dir vor, du würdest in einem Wagen sitzen, der sich in einer horizontalen Ebene fortbewegt. Der Wagen wäre nun einer 1. Stell Beschleunigung von 20 m/s/s (20m/s2) ausgesetzt. Welchen Wert hätte G? g = 10 m/s/s G = (20 : 10) = 2 Antwort dir vor du wirst so sehr nach oben katapultiert, dass du innerhalb von zwei Sekunden eine Geschwindigkeit von 72 2. Stell km/h erreichst. Beziehe dich auf die vorher erwähnte Beschleunigungsformel und berechne die nach oben verlaufende Beschleunigung, der du ausgesetzt bist. Zu welchen Schlüssen kommst du hinsichtlich des G-Wertes? Antwort Erreichte Geschwindigkeit = 72 Km/h = 20 m/s. Durchschnittsbeschleunigung = a = (20 : 2) m/s = 10 m/s = g. Die Attraktion gibt dir eine Beschleunigung die gleich und entgegengesetzt der auf die Schwerkraft zurückzuführenden Beschleunigung ist. 18 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE SCHWERELOSIGKEIT Beobachtungen Wenn du von einem Tag im „Movie Park Germany zurückkehrst, werden dich deine Freunde sicherlich fragen, wie es für dich war, vom höchsten Punkt der Holzachterbahn „Bandit“ nach unten zu „brettern“ oder bei „N.Y.C. Transformer“ mehrere Überschläge hintereinander zu erleben. Was wirst du ihnen dann erzählen können und vor allem: wie wirst du ihnen erklären, wie das von dir empfundene Gefühl der Schwerelosigkeit zu Stande kommt? Wirkliche Schwerelosigkeit besteht nur dann, wenn man nicht mehr der Erdanziehungskraft ausgesetzt ist. Wie kann man in eine solche Situation kommen? Es gibt verschiedene Arten Schwerelosigkeit zu empfinden: • Man muss sich dafür beispielsweise weit genug von jedem Planeten und der Sonne entfernen, sodass ihre Anziehungskraft gleich null ist. • Man kann sich aber auch in vertikaler Richtung nach oben oder nach unten katapultieren lassen. Sobald man sich vom Katapult gelöst hat, empfindet man Schwerelosigkeit. •Oder man fährt auf einer „Berg- und Talbahn“ mit einer ganz besonderen Form. Im Movie Park Germany wurden selbstverständlich die letzten beiden Lösungen gewählt; denn obwohl man dabei der Erdanziehungs- bzw. der Schwerkraft ausgesetzt bleibt, hat man den Eindruck, sie nicht mehr zu fühlen. Erweitere dein Wissen! Um das alles zu verstehen, muss man sich zwei Sachverhalte vor Augen führen: 1. Das Trägheitsprinzip. 2. Der Sitz wird von Schienen fest gehalten, während du scheinbar an deinem Sitz nicht befestigt bist. Deswegen befindest du dich manchmal im freien Fall. Auf den Türmen: Stell dir vor, dein Sitz wird nach oben geschossen und plötzlich abgebremst .Auf Grund deiner Trägheit hebst du von deinem Sitz ab und spürst für einen kurzen Moment dein Gewicht nicht mehr, weil du den Sitz nicht mehr berührst. G ist jetzt fast gleich null. Deswegen empfindest du ein Gefühl der Schwerelosigkeit. Dein Sitz wird nach unten katapultiert und erfährt eine Beschleunigung von etwas über g (10 m/s2). Dagegen entspricht deine Beschleunigung genau g. Folglich fällt dein Sitz schneller nach unten als du. Du hebst von deinem Sitz ab und hast einen Augenblick lang das Gefühl zu schweben. Auf den Attraktionen mit Berg- und Talfahrten: Wenn du am höchsten Punkt ankommst, folgt der Wagen der ihm vorgegebenen Fahrstrecke. Dir jedoch ergeht es auf Grund deiner Trägheit wie der Kugel, die von einem Tisch heruntergeworfen wird. Du hebst von deinem Sitz ab und empfindest für einen kurzen Moment ein Gefühl der Schwerelosigkeit. Deswegen erhalten Achterbahnen eine Form, die der Flugbahn einer heruntergeworfenen Kugel entspricht (siehe nebenstehende Zeichnung). Die besondere Krümmung der Berg- und Talfahrten wird als „Parabolform“ bezeichnet. Die Form der Berg- und Talfahrten wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Zug über die Erhebungen der Achterbahnen fährt. 19 Teil 2 Für Haupt- Real- und Gesamtschulen, Gymnasium DIE FLIEH- UND DIE ZENTRIPETALKRAFT Deine Wahrnehmungen Du hast dich zu einer Fahrt mit der „Mad Manor Achterbahn“ entschlossen. Schon in der ersten Kurve rutschst du auf deinem Sitz hin und her und wirst zur Seite gedrückt. Bei der nächsten Kurve, die in entgegengesetzte Richtung verläuft, gleitest du auf die andere Seite des Sitzes. Wie ist das zu erklären? In der einer Achterbahn fühlst du dich manchmal regelrecht an deinen Sitz gepresst, ab und zu hast du sogar den Eindruck, herausgeschleudert zu werden. Bei einer Fahrt mit dem „Side Kick“ kommt es dir so vor, als würdest du mit zunehmender Geschwindigkeit in deinen Sitz gepresst. Und wieder stellt sich die Frage, was hier eigentlich passiert, wo du doch von niemandem gedrückt oder gezogen wirst. Je nach Attraktion unterscheiden sich die durch die Fliehkraft hervorgerufenen Wahrnehmungen. Im Looping der Achterbahn wirst du durch die Fliehkraft beispielsweise in deinen Sitz gepresst, während du im MP XPress-Achterbahn durch die Fliehkraft von deinem Sitz gerissen wirst und deine Beine nach unten ins Leere baumeln. Definitionen Wenn du dich noch einmal an die Wahrnehmungen während der Fahrten mit den Attraktionen des Movie Parks Germany erinnerst, kannst du bereits feststellen, dass die Fliehkraft von folgenden Faktoren abhängt: • der Rotationsgeschwindigkeit. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit, desto stärker ist die einwirkende Kraft. • dem Radius der Kreisbahn. Je größer der Radius der Ebene, der Kurve oder des Loopings, desto intensiver ist die Kraft, wenn die Rotationsgeschwindigkeit gleich bleibt. • der Masse des rotierenden Objekts. Je größer die Masse, desto stärker ist die Kraft. 20 Aufgabe •Beschreibe alle deine Wahrnehmungen, wenn du durch einen Looping fährst. •Versuche einmal genau nachzuvollziehen, was bei einer Fahrt auf den lustigen Figuren des „Movie Crew Carousel“ geschieht. Musst du dich an der Stange festhalten? Warum? •Bei einer Fahrt mit einem „Riesenrad“ bist du ebenfalls einer Rotationsbewegung ausgesetzt. Doch hast du dabei den Eindruck, gezogen oder zusammengedrückt zu werden? Denke noch einmal an die Merkmale der soeben beschriebenen Fliehkraft und versuche, deine Wahrnehmungen zu erklären. Antwort Da sich das „Riesenrad“ langsam dreht, ist die Fliehkraft sehr schwach. Folglich kann man sie nicht spüren. Die Gondeln bleiben immer vertikal ausgerichtet. Dies ist allerdings beim „Kettenkarussell“ oder der „Enterprise“ ganz anders. •Was meinst du: warum weisen Kurven eine Neigung bzw. Steigung auf? Antwort Zur Verringerung der Wirkung der Fliehkraft bzw. damit man in den Kurven weniger nach außen gedrückt wird Einige Anmerkungen zur Zentripetalkraft Nehmen wir ein Beispiel. Wenn du in eine Kurve von „Mad Manor“ fährst, neigst du auf Grund deiner Trägheit dazu, deine geradlinig verlaufende Fahrtrichtung beizubehalten. Deine Trägheit möchte dich an der Kurvenfahrt hindern. Deswegen gleitest du von deinem Sitz in Richtung des äußeren Teils der Kurve. Dies ist die Wirkung der gerade beschriebenen Fliehkraft. Glücklicherweise wirst du vom Fahrgestell festgehalten; hierbei wirkt die so genannte „Triebkraft“ auf dich ein. Dank dieser Triebkraft machst du in Kurven die Bewegung des Wagons mit. Bei dieser Kraft handelt es sich um die von dem Wagon auf dich ausgeübte Rückwirkung. Der Wagon reagiert auf die Druckkraft, die der Fliehkraft entspricht, die du auf den Wagon ausübst, wenn du mit ihm in Kontakt bist. Man sagt, dass diese Kraft entgegen der Fliehkraft wirkt (dabei ist sie genauso stark wie die Fliehkraft und verläuft in die gleiche, aber entgegengesetzte Richtung). Infolgedessen wird sie als „Zentripetalkraft“ bezeichnet. 21 Einige Anmerkungen zur Fliehkraft Die Bewegung in einem Looping, in dem die Bewegung nicht künstlich hervorgerufen wird (tatsächlich fahren die Wagen dort ohne Motor oder ohne gezogen zu werden), verdient besondere Beachtung. Halten wir fest, dass sich die Geschwindigkeit an jedem Punkt des Loopings verändert. Ganz unten erreicht sie ihren Höchstwert, während sie ganz oben minimal ist. In diesem Fall kommt zur Fliehkraft noch eine andere „Scheinkraft“ oder Trägheitskraft Ft hinzu, die senkrecht zur Fliehkraft verläuft. Diese neue Kraft ist die Tangente zur Kreisbahn. Damit ist der Wagen zwei wahren Kräften ausgesetzt, der Gewichtskraft (G) und der Reaktionskraft der Schienen (R); darüber hinaus muss er zwei Trägheitskräften, der Fliehkraft (Fcf) und der tangenzialen Beschleunigungskraft (Ft), standhalten. Aufgabe Kannst du nun mit Hilfe der soeben erklärten Begriffe (Gewicht, Fliehkraft, die Pfeile zur Darstellung von Kräften) beschreiben und erklären, was du fühlst, wenn du durch einen Looping der einer Achterbahn fährst? Versuche deine Wahrnehmungen zum Ausdruck zu bringen und greife dabei auf den G-Wert zurück. Worin unterscheiden sich deine Wahrnehmungen am höchsten und tiefsten Punkt des Loopings? Antwort Die ganze Zeit bist du zwei wahren Kräften ausgesetzt, deinem Gewicht (P) und der Reaktion deines Sitzes (R). Außerdem wirkt eine Scheinkraft, die Fliehkraft, auf dich ein. Nachfolgend wird erklärt, dass es in dieser Bewegung noch eine zweite zu berücksichtigende Scheinkraft gibt. Vergegenwärtige dir noch einmal, dass – wie es im Zusammenhang mit der Schwerelosigkeit bereits gesagt wurde – alle deine Empfindungen von der Reaktionskraft deines Sitzes (R) abhängen. Da du dich nicht bewegst und dich auf deinem Sitz im Gleichgewicht befindest, werden die zwei wahren Kräfte von einer Scheinkraft, der Fliehkraft (Fcf), ausgeglichen. 22 Unter Berücksichtigung der Ausrichtung der Kräfte an jedem Punkt heißt das für den tiefsten Punkt des Loopings: Reaktionskraft = Fliehkraft + Gewichtskraft Für den höchsten Punkt gilt: Reaktionskraft = Fliehkraft – Gewichtskraft Also: Am tiefsten Punkt des Loopings,nimmst du eine nach unten ausgerichtete Kraft wahr, die stärker ist als dein Gewicht, sodass du in deinem Sitz zusammengedrückt wirst (G > 1). Am höchsten Punkt des Loopings, nimmst du eine von der Geschwindigkeit an diesem Punkt abhängende Kraft wahr. Wenn die Fliehkraft deinem Gewicht entspricht, ist die Reaktion deines Sitzes fast null (G = 0) - du hast das Gefühl, dich in der Schwerelosigkeit zu befinden. Wenn du mit dem „Kettenkarussell“ fährst, hast du ähnliche Wahrnehmungen wie bei einer Fahrt mit dem „MP XPress“. Versuche, beide miteinander zu vergleichen und sie zu beschreiben. Aufgabe Was bewirkt beim Kettenkarussell, dass die Ketten bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit immer weiter nach außen schwingen? Antwort Dies ist auf die Fliehkraft zurückzuführen, die den Sitz außerhalb des dargestellten Kreises zieht. Je stärker die Drehung, desto höher die Fliehkraft. 23 Emden Dorsten Von Arnheim über die A3 bis zum Kreuz Oberhausen. Weiter auf der A2 Richtung Hannover bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A 31 Richtung Emden bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Dann der Beschilderung folgen. • ANREISE AUS DEM NORDEN Großraum Hamburg/Bremen: Über die A1 bis Münster, am Kreuz Münster-Süd auf die A43 bis zum Kreuz Recklinghausen, hier auf die A2, Richtung Oberhausen, bis zur A31, dann weiter Richtung Emden, bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Arnheim Amsterdam Kirchhellen-Nord Ausfahrt nr.39 AB-Kreuz Bottrop • ANREISE AUS DEM OSTEN Über die A2 Richtung Oberhausen bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A31 Richtung Emden bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Dann der Beschilderung folgen. • ANREISE AUS DEM SÜDEN Großraum München/Stuttgart: Auf der A8 bis Karlsruhe, weiter auf der A5 bis Frankfurt, hier auf die A3 Richtung Köln/Oberhausen bis zum Kreuz Oberhausen, hier auf die A2, Richtung Hannover, bis zur A31, dann Richtung Emden bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. • ANREISE AUS DEM WESTEN Von Aachen/Belgien: A44/A46 bis Anschlusstelle Neuss-West. Dort auf die A57 Richtung Neuss, bis Kamp Lintfort, dann weiter über die A42, Richtung Dortmund, bis zum Autobahnkreuz Oberhausen-West, weiter auf die A3 bis zum Kreuz Oberhausen, dann auf die A2, Richtung Hannover, bis zum Kreuz Bottrop. Dort auf die A 31 Richtung Emden, bis zur Abfahrt Kirchhellen-Nord. Dann der Beschilderung folgen. MOVIE PARK GERMANY WARNER ALLEE 1 46244 BOTTROP-KIRCHHELLEN TELEFON 02045/899 715 FAX 02045/899 706 www.moviepark.de Münster AB-Kreuz Oberhausen Marl Hannover Gladbeck Bottrop Gelsenkirchen Oberhausen Düsseldorf Köln Essen Bochum Wuppertal Movie Park Germany and all related logos are trademarks of Movie Park GmbH & Co. KG©2007. Ice Age TM & © 2007 Twentieth Century Fox Film Corporation. All Rights Reserved. TM and © 2007 Paramount Parks Inc. © 2007 Viacom International Inc. All rights reserved. Nickelodeon and all related titles, logos and characters are trademarks of Viacom International Inc. SpongeBob SquarePants created by Stephen Hillenburg. 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