Fall mit Luftwiderstand - Schulbuchzentrum Online

Fall mit Luftwiderstand
1. Wenn die Luft mitmischt
Wenn Körper während ihres Falls stroboskopisch beleuchtet werden,
dann erhält man in sehr anschaulicher Form Informationen über die
Geschwindigkeiten unterwegs ‹ V 1 . Man kann dem Foto die Wege
zwischen zwei Blitzen entnehmen, daraus Durchschnittsgeschwin­
digkeiten berechnen und in einem Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm
darstellen ‹ B 1 . Kugel und Papiertrichter als Fall­körper liefern sehr
unterschiedliche Ergebnisse:
Für die Kugel ist das Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm eine Gerade;
die Geschwindigkeit wächst proportional mit der Zeit. Die Bewegung
ist gleichmäßig beschleunigt und es gilt υ = g t.
Für den Papiertrichter wächst die Geschwindigkeit nur in den
­ersten hundertstel Sekunden nach υ = g t. Dann bleibt er gegenüber
der Kugel zurück. Die von Blitz zu Blitz zurückgelegten Wege wach­
sen immer weniger, die Beschleunigung nimmt also ab. Gegen Ende
des Beobachtungszeitraums bewegt sich der Papiertrichter gleich­
förmig; die Punkte im t-υ-Diagramm liegen auf einer Parallelen zur
t-Achse.
Es liegt am Luftwiderstand, dass der Papiertrichter keine gleich­
mäßig beschleunigte Bewegung ausführt und nach einem beschleu­
nigten „Anlauf“ gleichförmig fällt.
2. Konstante Endgeschwindigkeit durch Luftwiderstand
Eine Kugel und ein Papiertrichter
fallen bei stroboskopischer Beleuchtung
(Δ t = 0,067 s) entlang dem nach unten ge­
richteten Maßstab. Sie werden gleichzeitig –
beim Blitz Nummer null – losgelassen. Unter­
wegs ändert sich die Kräftebilanz.
V 1
Wir wissen, dass die Beschleunigung nach N ewton s Grundgesetz
strikt mit der resultierenden Kraft F
​ ​ Res​verbunden ist: a = ​F​ Res​/m.
Die Masse ändert sich weder bei der Kugel noch beim Papiertrichter.
Die Konstanz der Beschleunigung bei der Kugel bedeutet demnach
konstante resultierende Kraft. Die Abnahme der Beschleunigung
beim Papiertrichter bedeutet dagegen abnehmende resultierende
Kraft.
Wir zeichnen für verschiedene Zeitpunkte die uns bekannten Kräfte
in das Bild zu ‹ V 1 ein:
• Die Gewichtskräfte auf Papiertrichter und Kugel wirken ständig,
sie werden jeweils durch rote Pfeile G dar­gestellt.
• Die hellroten Pfeile ​F​ L​repräsentieren die Luftwiderstandskraft; sie
zeigen nach oben (entgegen der Bewegungsrichtung).
Ihre Längen wachsen mit der Geschwindigkeit υ.
Auswertung des ‹ V 1 :
Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm für Kugel
und Papiertrichter. Die berechneten Ge­
schwindigkeiten wurden jeweils dem Zeit­
punkt in der Mitte zwischen zwei Blitzen
­zugeordnet.
B 1
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Fall- und Wurfbewegungen    Fall mit Luftwiderstand
Wir betrachten zunächst den Papiertrichter: Der Luftwiderstand
wächst mit zunehmender Geschwindigkeit. Beim Start ganz oben im
Bild bestimmt allein die Gewichtskraft die resultierende Kraft, der
Papiertrichter bewegt sich beschleunigt. Mit wachsender Geschwin­
digkeit wird der Luftwiderstand größer. Schließlich ist die Luftwider­
standskraft der Gewichtskraft gegengleich. Dann ergeben beide
­zusammen die resultierende Kraft ​F​ Res​ = 0. Mit ihr ist die Beschleu­
nigung a = 0.
Der Papiertrichter bleibt aber nicht stehen, sondern fällt mit kons­
tanter Geschwindigkeit weiter.
Auch die fallende Kugel erfährt Luftwiderstand, der ebenfalls mit
zunehmender Fallgeschwindigkeit größer wird. Kräftegleichgewicht
und Endgeschwindigkeit stellen sich aber erst bei etwa 60 m/s ein.
Die kleinere Fläche der Kugel erfährt nämlich eine kleinere Luft­
widerstandskraft, die sich gegenüber der größeren Gewichtskraft
erst bei sehr viel größeren Geschwindigkeiten bemerkbar macht. In
unserem Versuch ist davon noch nichts festzustellen.
Merksatz
Bei Fallbewegungen mit Luftwiderstand stellt sich nach hinreichend
langer Zeit eine konstante Geschwindigkeit ein. Die Resultierende
n
aus Gewichtskraft und Luftwiderstandskraft ist dann null.
3. Ein Kraftgesetz für den Luftwiderstand
Vier Trichter erfahren zusammen vierfa­
che Gewichtskraft. Schon bei doppelter
­Geschwindigkeit ist die Luftwiderstandskraft
ebenfalls vervierfacht. Die Resultierende ist
wieder null.
B 2
Wir erhöhen die Gewichtskraft des Papierkegels, indem wir mehrere
gleiche Exemplare ineinander stecken ‹ B 2 . Form und Fläche, die
den Luftwiderstand beeinflussen, ändern sich dabei nicht. Erst bei
vier ineinander gesteckten Trichtern verdoppelt sich die Endge­
schwindigkeit. Dann ist die Gewichtskraft vierfach, also auch die mit
ihr ins Gleichgewicht gekommene Luftwiderstandskraft. Daraus
folgt: Bei Verdopplung der Geschwindigkeit υ vervierfacht sich die
. Sie ist dann der Gewichtskraft von vier
Luftwiderstandskraft ​F​ L​
Trichtern gegengleich. Also ist ​F​ L​ ~ ​υ​ 2​.
Die Proportionalität ​F​ L​ ~ ​υ​ 2​für den Betrag der Luftwiderstandskraft
gilt allgemein. Mit dem Proportionalitätsfaktor C kann man schrei­
ben ​F​ L​ = C · ​υ​ 2​. Die Größe C wird u. a. von der Fläche A bestimmt,
die der Körper der Luft anbietet. Es gilt ein einfacher Zusammen­
hang: C ist proportional zu A, d. h. doppelte Fläche ergibt doppeltes
C. Mit dem Widerstandsbeiwert ​c​ w​und der Dichte ρ der Luft schreibt
man: C = ​ _12 ​ ​c​ w​ · ρ · A. Die komplette Formel für die Luftwiderstands­
kraft heißt dann
Die Sportler haben die Fallschirme noch
nicht geöffnet. Sie werden so lange beschleu­
nigt, bis Gewichts- und Luftwiderstandskraft
gegengleich sind. Dann fallen sie gleichförmig
mit der durch ihre Körperfläche bestimmten
Endgeschwindigkeit (max. 50 m/s).
B 3
1
​F​ L​ = ​ __ ​ ​ c​ w​ ρ A ​υ​ 2​.
2
Daraus folgt für das Kräftegleichgewicht bei der Endgeschwindigkeit​
2  ​  
υ ​End​die Betragsgleichung G = ​ _12 ​ ​c​ w​ ρ A υ ​ 
End .
Merksatz
Für den Betrag der Luftwiderstandskraft gilt:
1
​F​ L​ = ​ __ ​ ​ c​ w​ ρ A ​υ​ 2​.
2
(1)
Für die Endgeschwindigkeit ​υ​ End​des Falls mit Luftwiderstand gilt:
1
2  ​  
G = ​ __  ​ ​c​ w​ ρ A υ ​ 
End .
2
(2)
n
Bei einer Kugel mit Radius r ist das Volumen und damit auch G pro­
portional zu r​​ 3​; dagegen ist die Fläche A proportional zu r​​ 2​. Nach
  ​  
~ r. – Aus
Gleichung 2 gilt dann für die Endgeschwindigkeit υ ​2 
End
diesem Grund fallen große Regentropfen schnell (bis zu 8 m/s),
während kleine Nebeltröpfchen mit weniger als 0,08 m/s zu Boden
sinken.
Bei geöffnetem Fallschirm sorgt das gro­
ße Tuch für sehr großen Luftwiderstand. Die
Sink­geschwindigkeit beträgt dann etwa 5 m/s.
B 4
Scheibe
Kugel
Lkw
T 1
1,12
0,45
0,8 – 1
Pkw
0,15 – 0,7
Stromlinien- 0,056
form
Einige Widerstandsbeiwerte ​c​ w​
Fall mit Luftwiderstand    Fall- und Wurfbewegungen
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