Reibung und Luftwiderstand
Ein Fahrrad rollt auf ebener Straße aus und wird langsamer. Was bremst es?
Erklärung: Echte Gegenkräfte bremsen — Reibung an Achse und Reifen sowie Luftwiderstand. Es ist keine „verbrauchte Kraft" (Impetus) und keine Bewegung, die von selbst endet.
Ohne Reibung und Luftwiderstand würde ein einmal angestoßener Puck ewig geradeaus weitergleiten.
Erklärung: Richtig. Ohne bremsende Kräfte behält der Puck seine Geschwindigkeit bei (Trägheit). Erst Reibung und Luftwiderstand bringen reale Bewegungen zum Stillstand.
In welche Richtung wirkt die Reibungskraft auf einen ausrollenden Wagen?
Erklärung: Reibung ist eine bewegungshemmende Kraft — sie zeigt immer entgegen der Bewegung und bremst den Wagen deshalb ab.
Reibung ist immer störend und sollte möglichst vermieden werden.
Erklärung: Falsch. Reibung bremst zwar, ermöglicht aber erst Gehen, Bremsen und Anfahren. Ohne Haftreibung zwischen Schuh und Boden käme man keinen Schritt voran.
Warum kannst du auf trockenem Boden gut gehen, auf Glatteis aber kaum?
Erklärung: Zum Gehen brauchst du Haftreibung, um dich vom Boden abzustoßen. Auf glattem Eis ist sie sehr klein, deshalb rutschst du. Die Gewichtskraft wirkt weiter.
Ein Auto fährt einmal 30 km/h und einmal 120 km/h. Bei 120 km/h drückt der Luftwiderstand stärker gegen das Auto. Stimmt das?
Erklärung: Richtig. Der Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit stark zu. Bei 120 km/h ist er also viel größer als bei 30 km/h — deshalb braucht ein schnelles Auto überproportional mehr Antrieb.
Zwei gleich schwere Blätter Papier fallen — eines flach ausgebreitet, eines fest zusammengeknüllt. Welches fällt schneller?
Erklärung: Beide haben dieselbe Masse und Gewichtskraft. Das flache Blatt bietet dem Luftwiderstand eine große Fläche und wird stärker gebremst; das geknüllte fällt schneller. Der Luftwiderstand hängt von der Fläche ab.
Ein Fallschirmspringer sinkt schließlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Was gilt dann für die Kräfte?
Erklärung: Gleichbleibende Geschwindigkeit heißt Kräftegleichgewicht. Der mit dem Tempo gewachsene Luftwiderstand ist genauso groß wie die Gewichtskraft — die resultierende Kraft ist null (Endgeschwindigkeit).
Beim Fallschirmspringen wächst der Luftwiderstand mit der Geschwindigkeit, bis er die Gewichtskraft ausgleicht.
Erklärung: Richtig. Zu Beginn überwiegt die Gewichtskraft, der Springer wird schneller. Mit steigendem Tempo wächst der Luftwiderstand, bis beide gleich groß sind — dann bleibt die Geschwindigkeit konstant.
Eine schwere Kiste steht auf dem Boden. Wann ist die nötige Schiebekraft am größten?
Erklärung: Die Haftreibung (im Stillstand) ist größer als die Gleitreibung (in Bewegung). Deshalb braucht man am Anfang am meisten Kraft; sobald die Kiste gleitet, geht es leichter.
Reibungskräfte wirken stets ___ zur Bewegungsrichtung.
Erklärung: Reibung ist eine bewegungshemmende Kraft und zeigt immer entgegen der Bewegung. Deshalb bremst sie und wandelt Bewegungsenergie in Wärme um.
Tom sagt: „Der Ball rollt aus, weil die Kraft vom Anstoß langsam alle wird." Was stimmt wirklich?
Erklärung: Die Anstoßkraft wirkte nur während der Berührung; danach steckt keine Kraft im Ball (Impetus-Irrtum). Was ihn abbremst, ist die Reibung — ohne sie würde er weiterrollen.
Reibung wandelt Bewegungsenergie in Wärme um — deshalb werden Bremsen heiß.
Erklärung: Richtig. Reibungskräfte wandeln kinetische Energie in Wärme um. An einer stark benutzten Bremse spürt man diese Wärme deutlich.
Wodurch kann ein Auto überhaupt anfahren und auf der Straße beschleunigen?
Erklärung: Der Motor allein bewegt nur die Räder — erst die Haftreibung zwischen Reifen und Straße überträgt die Kraft auf die Fahrbahn. Auf spiegelglattem Eis drehen die Reifen durch, das Auto kommt kaum vom Fleck.
Zwei gleich große Kugeln (4 cm) fallen gleichzeitig aus 10 m Höhe — eine aus Stahl (260 g), ein Tischtennisball (2,7 g). Welche ist zuerst unten?
Erklärung: Die Stahlkugel, nach etwa 1,4 s gegen 1,75 s. „Alle Körper fallen gleich schnell" gilt nur ohne Luft. In Luft bremst der Luftwiderstand beide gleich großen Kugeln bei gleichem Tempo gleich stark. Bei der Stahlkugel ist das im Vergleich zu ihrer großen Gewichtskraft winzig, beim leichten Ball nicht. Es kommt darauf an, wie groß der Luftwiderstand im Vergleich zur Gewichtskraft ist.
Ein einzelner Kaffeefilter und ein Stapel aus vier ineinandergesteckten, gleichen Filtern fallen. Beide erreichen nach kurzer Strecke eine gleichbleibende Geschwindigkeit. Wie schnell sinkt der Stapel dann im Vergleich zum einzelnen Filter?
Erklärung: Etwa doppelt so schnell. Beide haben dieselbe Form, also bremst die Luft sie bei gleichem Tempo gleich stark. Der Stapel hat die vierfache Gewichtskraft und wird schneller, bis der Luftwiderstand sie ausgleicht. Der Luftwiderstand steigt quadratisch mit dem Tempo, deshalb reicht das doppelte Tempo (2² = 4). Gleich schnell fielen beide nur ohne Luft.