3. Kräfte und ihre Wirkungen

3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.1 Bewegungsarten
Beschreiben einer Fahrt mit dem Fahrrad. (B. S. 32)
Aktion
Beschreibung
Vor dem Start
Bewegungsart
Ruhe
Anfahren
SchülerIn tritt in die Pedale
und wird immer schneller.
Beschleunigte
Bewegung
Weiterfahren
SchülerIn fährt etwa gleich
schnell dahin.
Gleichförmige
Bewegung
Abbremsen
Schülerin wird langsamer
Verzögerte
Bewegung
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Messung der
Gehgeschwindigkeit
Vorgangsweise
• Abstecken einer Strecke von 15 m
• Einteilen von 1 Geher/in
• Einteilen von 10 Zeitnehmern
• Einteilen von 10 Protokollanten
Durchführung
Messstrecke
0m
3m
6m
Messpunkte
9m
12m
15m
Messtabelle
Weg
Zeit Schüler(in)
Messung 1
Messung 2
Zeit Mittelwert
0 3m 6m 9m 12m 15m
Zeichne ein Diagramm
Excel-Aufruf
15
s [m]
9
3
t [s]
10 s
Gleichförmige Bewegung
Weg-Zeit-Diagramm
Weg in [m]
0
1
2
0
3
6
3
4
5
9
12
15
Gleichförmige Bewegung
15
12
Weg
Zeit
Geher(in)
v
9
6
3
0
0
1
2
3
Zeit
Gleichförmige Bewegung
3. Kräfte und ihre Wirkungen
4
5
6
Weg-Zeit-Diagramm
Ermittle zeichnerisch:
15
12
Wie viel Zeit benötigt er für 8 m?
Weg
10,5m
9
6
Ermittle, welchen Weg hat er in 3,5 s
zurückgelegt?
3
0
0
1
2
2,7 s
3
4
5
6
Zeit
Eine Bewegung heißt gleichförmig, wenn sie geradlinig ist und,
wenn in gleichen Zeitabschnitten gleiche Wege zurückgelegt
werden.
Die Geschwindigkeit ist dabei konstant.
Im Zeit-Weg-Diagramm erhalten
wir
Gerade.
3. Kräfte und
ihreeine
Wirkungen
3.2 Die Geschwindigkeit
Wir führen einen Wettlauf durch.
1. Gleichzeitiger Start:
Ergebnis:
Wer früher im Ziel ist hat gewonnen
2. Nicht gleichzeitiger Start:
Zum Vergleich benötigen wir eine Uhr.
Ergebnis:
Der mit der kürzeren Zeit hat gewonnen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Wenn die Wege sind ungleich lang sind:
Beispiel: SchülerIn A benötigt für 60 m 10 s
SchülerIn B benötigt für 100 m 16 s.
Welche SchülerIn ist schneller?
A: 60 : 10 =
B: 100 : 16 =
A: 60 : 10 = 6
B: 100 : 16 = 6,25
A legt 6 m/s zurück.
B 6,25 m/s zurück.
(ist also schneller).
3. Kräfte und ihre Wirkungen
zurückgelegter Weg
Geschwindigkeit 
dafür benötigte Zeit
s
v
t
Als Einheit verwenden wir 1 m/s
oder 1 km/h
Umrechnung: 1 m/s = 3,6 km/h
3. Kräfte und ihre Wirkungen
►
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.3 Die beschleunigte Bewegung
Versuch:
Wir lassen einen Ball eine schiefe Ebene hinunterrollen.
Ergebnis:
Er wird
immer
schneller.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Wir zeichnen die Bewegung mit einem Bewegungssensor auf.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Zeit-Weg-Diagramm
Messwerte
Weg
[m]
0
0
0,2
0,05
0,4
0,16
0,6
0,33
0,8
0,57
1
0,87
1,2
1,23
1,4
1,66
1,6
2,15
2,5
Waagrecht:Zeit:
1 Kästchen=0,1s
2
Senkrecht: Weg:
1 Kästchen=0,1m
1,5
Weg [m]
Zeit
[s]
Zeichne ein
Diagramm!
1
13 cm
0,5
9 cm
0
0
3. Kräfte und ihre Wirkungen
0,5
1
Zeit [s]
1,5
Zeit-Weg-Diagramm
2,5
Ermittle den Weg nach
0,5 s!
0,24 m
Weg [m]
2
Wie viel Zeit benötigt der
Ball für 0,5m, für 1 m,
für 2 m?
0,75 s; 1,1 s; 1,55 s
1,5
1
0,5
Das Zeit-Weg-Diagramm
für eine beschleunigte
Bewegung ist eine Kurve
0
0
0,5
1
1,5
2
Zeit [s]3. Kräfte und ihre Wirkungen
Die graphische Darstellung von Bewegungen wird auch in der Praxis
verwendet. Z.B. beim Fahrtenschreiber (in LKWs und Omnibussen).
Vgl. Abb. 21.4
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Arbeite die Aufgaben auf Seite 35 durch!
21.1:
42000 : 8100 = 420 : 81 = 5,185 m/s
5,185 · 3,6 = 18,7 km/h oder 42 : 2,25 = …
21.2:
5.30 Uhr – 5.55 Uhr Fahrt mit verschiedenen
Geschwindigkeiten < 70 km/h
5.55 Uhr – 6.15 Uhr Pause
6.15 Uhr – 9.00 Uhr Fahrt mit verschiedenen
Geschwindigkeiten bis 100 km/h
21.3:
(Tabelle S. 33 nachschauen) t = 1,50 m : 100 m/s = 0,015 s
21.4:
40000km : 24 h = 1666,7 km/h = 463 m/s
3. Kräfte und ihre Wirkungen
21.5:
0 s – 2 s:
Gleichförmige
Bewegung. v = ?
v = 15 m/s
2 s – 5 s:
Ruhe
5 s – 8 s:
Gleichförmige
Bewegung. v = ?
v = 10 m/s
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.4 Die Masse
Versuch:
Ergebnis:
Die Boccia-Kugel wird von der Erde stärker
angezogen.
Körper werden von der Erde verschieden stark angezogen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch:
Eine Plastikhohlkugel eine Boccia-Kugel und ein Tennisball werden
von einem Fön angeblasen.
Ergebnis:
Die Boccia-Kugel bewegt sich am wenigsten.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch 1:
Bewegen
Versuch 2:
Gefäß in Bewegung
Wird abgebremst
Ergebnis:
1) Körper setzen dem Versuch, in Bewegung gesetzt zu
werden, einen Widerstand entgegen.
2) Bewegte Körper setzen dem Versuch, abgebremst zu werden,
einen Widerstand entgegen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Man nennt diesen Widerstand Beharrungsvermögen oder
Trägheit.
Zusammenfassung:
1) Alle Körper werden von der Erde angezogen.
2) Alle Körper besitzen eine Trägheit.
Die Eigenschaft, die bewirkt, dass Körper von der
Erde angezogen werden und dass Körper träge
sind, nennt man die Masse des Körpers.
Zeichen: m … Masse
Die Masse eines Körpers ist an jedem Ort gleich.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Die Einheit der Masse (m) ist das Kilogramm (1 kg).
1 Kilogramm ist gleich der Masse des Urkilogramms, das in
Sevres bei Paris aufbewahrt wird.
1 kg sollte gleich der Masse von 1 dm3 bei 4°C sein.
(Dieser Wasserwürfel ist tatsächlich 0,999972 kg)
Weitere Einheiten:
1 kg = 100 dag = 1000 g
1 g = 10 dg = 100 cg = 1000 mg
1 t = 1000 kg
Die Größe der Masse wird mit einer Waage bestimmt.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Balkenwaage
Sie vergleicht die Masse des Körpers mit
Massestücken von einem Massensatz.
Massensatz
Versuch:
Miss die Masse von drei verschiedenen Körpern!
Fe:
mFe =
Al:
mAl =
Holz: mH =
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.5 Die Dichte
Die vorher gewogenen Körper gleicher Größe haben verschiedene
Massen.
Haben die Körper verschiedene Volumina, so ist aus der Größe der
Masse nicht zu erkennen, um welchen Stoff es sich handelt.
Wir beziehen daher die Masse auf ein bestimmtes Volumen.
Masse
Dichte 
Volumen
Einheit:
1
kg
m3
oder
m

V
1
kg
dm3
oder
3. Kräfte und ihre Wirkungen
g
1 3
cm
Umrechnung:
kg
kg
1 3  1000 3
dm
m
1
kg
g

1
dm3
cm3
Die Dichte ist ein für jeden Stoff charakteristisches Merkmal.
Bestimme die Dichte der 3 vorher gewogenen Quader und
vergleiche mit der Tabelle auf Seite 47!
Führe die Aufgaben 29.1 und 29.2 auf Seite 47 aus!
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.6 Kräfte und Wirkungen
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Eine Kraft kann einen Körper verformen oder eine
Geschwindigkeitsänderung hervorrufen.
Versuch: Kräfte verändern die Geschwindigkeit.
m2
m1
Die Gewichtskraft bewirkt die Bewegung.
Die Magnetkraft ändert
die Geschwindigkeit.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch: Kräfte verformen Körper.
Hänge an eine
Schraubenfeder der Reihe
nach 10 g, 20 g, 30 g,…
Miss die Auslenkung der Feder
(Wäscheklammern)
und trage die Ergebnisse in
eine Tabelle ein!
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.6.1 Messung von Kräften
Masse [g]
F [N]
0
0
10
0,1
Auslenkung
der Feder
0
Stelle diese Werte in einem
F-x -Diagramm dar!
F
20
30
40
0,1 N = 1 cm
50
60
70
2 cm = 1cm
80
90
Auslenkung x
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Die Federkraft
1
Kraft in N
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
5
10
15
20
Auslenkung in cm
3. Kräfte und ihre Wirkungen
25
30
Je größer die Kraft, desto stärker ist die Dehnung der Feder.
Die Dehnung der Feder ist ein Maß für die angreifende Kraft.
Die Federwaage dient daher als Kraftmesser.
Die Einheit der Kraft ist das Newton (N).
Zur Vorstellung:
Ein Körper mit der Masse 100 g wird von der Erde mit der Kraft von
etwa 1 N angezogen.
Ein Newton ist jene Kraft, die notwendig ist, um eine Masse von 1 kg
vom Ruhezustand aus innerhalb einer Sekunde auf die
Geschwindigkeit von 1 m/s zu bringen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.6.2 Kraft als gerichtete Größe
Die Wirkung einer Kraft hängt nicht allein von ihrer Größe ab.
Beispiel: Ein Fußballspieler kickt mit seinem Fuß in den Boden statt in
den Ball.
Die Wirkung einer Kraft hängt außer von der Größe auch von
ihrer Richtung ab.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch:
Wir befestigen eine Schur an der Lehne eines Stuhls und ziehen in
verschiedene Richtungen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Wir wollen den Stuhl kippen.
Wird die Schur etwas tiefer befestigt, ist eine größere Kraft zum
Kippen nötig.
Die Wirkung einer Kraft hängt von ihrer Größe, ihrer Richtung und
von ihrem Angriffspunkt ab.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.6.3 Darstellung von Kräften
Kräfte werden durch Pfeile dargestellt.
Der Pfeil beginnt im Angriffspunkt A, seine Spitze zeigt in die Richtung
der Kraft. Die Länge entspricht der Größe.
Die Gerade, auf der der Kraftpfeil liegt, nennt man Wirkungslinie der
Kraft.
A
F
Führe die Aufgaben im Buch Seite 40 aus!
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Wirkungslinie
3.7 Kraft und Gegenkraft
Versuch: 2 Schüler
geben sich die Hand
und ziehen in
entgegengesetzte
Richtungen.
Wenn beide mit
gleicher Kraft ziehen
bleiben sie am selben
Ort.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch: Zwei Schüler ziehen mit einer Federwaage in die
entgegengesetzte Richtung.
Achtung !! Nicht zu stark ziehen!!!!!!!!!!!!
Wert ablesen.
Zwei Kräfte halten sich das Gleichgewicht, wenn sie auf
einer Wirkungslinie liegen, entgegengesetzt gerichtet und
gleich groß sind. Sie heben einander in ihrer Wirkung auf.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3 Kräfte
Resultierende
Kraft
Komponenten der
resultierenden Kraft
Die drei Kräfte befinden sich im Gleichgewicht
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.8 Die Gewichtskraft
Versuch: Nimm einen Radiergummi in die Hand und lasse
ihn los.
Ergebnis: Er fällt zu Boden.
Die Körper werden von der Erde angezogen.
Das Gewicht G eines Körpers ist jene Kraft, mit der
er von der Erde angezogen wird.
Das Gewicht wird wie die Kraft in Newton
gemessen.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Du erinnerst dich an den Versuch mit den
verschiedenen Kugeln, die wir an eine
Schraubenfeder hängten.
Holz
Eisen
Die Eisenkugel dehnt die
Feder viel stärker, weil
sie eine größere Masse
hat.
Genaue Messungen haben ergeben,
dass das Gewicht eines Körpers auch
vom Ort abhängt.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Das Gewicht eines
Körpers hängt von
seiner Masse und vom
Ort ab.
In Österreich gilt:
Das Gewicht eines
Körpers mit 1 kg Masse
hat ein Gewicht von
9,81 N.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Formel zur Berechnung des Gewichts
G = m·g
g = 9,81 N/kg
Berechne dein Gewicht!
Beachte: Die Einheit des Gewichts ist 1 Newton (1N) !!!!!
Beispiel: m = 50 kg
G = 50·9,81 = 490,5 N
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Auf dem Mond ist die
Gewichtskraft nur 1/6 der
Gewichtskraft auf der Erde.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Fülle aus!
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3.9 Die Reibungskraft
Ausrutschen
auf einer
Bananenschale.
Warum???
Reibung
zwischen den
Schuhen und
dem Boden war
zu gering.
Reibung ist eine Kraft, die zwischen zwei Körpern entsteht, wenn sie sich
aneinander reiben.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Reibung ist nötig beim Gehen, Bremsen, Beschleunigen
Kurvenfahren, …
Reibung kann auch sehr unangenehm sein. Z. B., wenn dein
Fahrrad schlecht „geschmiert“ ist.
Wir unterscheiden 3 Arten von Reibung:
Haftreibungskraft:
Sie muss überwunden werden, um einen Körper, der sich in Ruhe
befindet, zu bewegen.
Quader ist in Ruhe.
Man versucht ihn
wegzuziehen.
Die Federwaage zeigt
die Haftreibung an.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
v
Wir ziehen einen Quader mit konstanter Geschwindigkeit.
Die Federwaage zeigt eine Kraft. Es muss ihr also eine gleich große
Kraft entgegen wirken. Diese Kraft nennen wir
Gleitreibungskraft. Sie tritt auf, wenn ein Körper bereits in
Bewegung ist.
Die Gleitreibung ist kleiner als die Haftreibung.
v
Legen wir den Körper auf Rollen, ist eine geringere Kraft (als
bei der Gleitreibung) nötig, um die Rollreibungskraft zu
überwinden.
Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch:
Stelle die Fahrbahn schräg auf!
Verwende verschiedene Papiersorten (Küchenrolle, glattes Papier) und
lege es auf die Fahrbahn.
Lege darauf den Quader und verändere die Neigung der Fahrbahn, bis
der Quader rutscht.
Notiere die Höhen!
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3. Kräfte und ihre Wirkungen
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch:
Stelle die Fahrbahn schräg auf!
Verwende verschiedene Papiersorten
(Küchenrolle, glattes Papier) und lege es
auf die Fahrbahn.
Lege darauf den Quader und verändere
die Neigung der Fahrbahn, bis der
Quader rutscht.
Notiere die Höhen!
Unterlage
Höhe bis zum Rutschen
Keine
Küchenrolle
Glattes Papier
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Versuch:
Gewicht
Ein Körper wird auf verschiedenen Unterlagen gezogen.
Auf den Klotz wird ein zusätzliches Gewicht gegeben.
Die Reibung ist eine Kraft, die der Bewegung eines Körpers
entgegenwirkt.
Die Reibung hängt von den beiden sich reibenden Körpern ab.
Die Reibung hängt vom Gewicht ab.
Durch die Reibung entsteht immer Wärme.
3. Kräfte und ihre Wirkungen
Beantworte!
• 30.1 Was kannst du beim Reiben deiner Hände beobachten?
• 30.2 Welche Art der Reibung tritt bei Rädern im Lager der Achse
bzw. am Radumfang auf?
• 30.3 Welche Reibung wird beim Bremsen ausgenützt?
• 30.4 Wo sind beim Fahrrad Kugellager? Welchen Zweck haben sie?
• 30.5 Wodurch kann Gleitreibung in Rollreibung übergeführt werden?
Lösungen:
30.1 Durch Reibung entwickelt sich Wärme.
30.2 Im Lager Rollreibung, in der Achsenbuchse Gleitreibung, am
Radumfang Rollreibung
30.3 Haftreibung und Gleitreibung
30.4 An den Achsen, sie sollen die Gleitreibung in Rollreibung überführen.
30.5 Durch Räder und durch Kugellager .
3. Kräfte und ihre Wirkungen