Reibung und Luftwiderstand

Friction and Air Resistance

Physik Klasse 8 16 Aufgaben
MechanikKräfteReibungLuftwiderstandKerncurriculum

Reibung und Luftwiderstand sind bewegungshemmende Kräfte, die stets der Bewegungsrichtung entgegenwirken. Reale Bewegungen hören deshalb auf, weil echte Gegenkräfte wirken — nicht weil eine „verbrauchte Kraft" alle wird (Impetus) oder Bewegung von selbst endet (aristotelisch). Luftwiderstand wächst mit Geschwindigkeit und Fläche, Reibung hängt von den Oberflächen und der Andruckkraft ab, und die Haftreibung beim Losschieben ist größer als die Gleitreibung. „Reibung ist immer schlecht" scheitert an den Fällen, die sie brauchen: Gehen, Bremsen und Anfahren gelingen erst durch Reibung. Halten sich Luftwiderstand und Gewichtskraft die Waage, ergibt sich die konstante Endgeschwindigkeit (Fallschirm) — die Brücke zum realen freien Fall.

Voraussetzungen (1)

Kräfte und Gleichgewicht
Klasse 8
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Leicht
Multiple Choice #1 20s â–¶ Testen

Ein Fahrrad rollt auf ebener StraĂźe aus und wird langsamer. Was bremst es?

  • â—Ź Reibung und Luftwiderstand wirken gegen die Bewegung
  • â—‹ Die Anschubkraft ist aufgebraucht
  • â—‹ Bewegung hört von selbst immer auf
Echte Gegenkräfte bremsen — Reibung an Achse und Reifen sowie Luftwiderstand. Es ist keine „verbrauchte Kraft" (Impetus) und keine Bewegung, die von selbst endet.
Wahr / Falsch #2 18s â–¶ Testen

Ohne Reibung und Luftwiderstand wĂĽrde ein einmal angestoĂźener Puck ewig geradeaus weitergleiten.

âś“ Wahr
Richtig. Ohne bremsende Kräfte behält der Puck seine Geschwindigkeit bei (Trägheit). Erst Reibung und Luftwiderstand bringen reale Bewegungen zum Stillstand.
Multiple Choice #3 18s â–¶ Testen

In welche Richtung wirkt die Reibungskraft auf einen ausrollenden Wagen?

  • â—Ź Entgegen der Bewegungsrichtung
  • â—‹ In Bewegungsrichtung
  • â—‹ Senkrecht zur Bewegungsrichtung
Reibung ist eine bewegungshemmende Kraft — sie zeigt immer entgegen der Bewegung und bremst den Wagen deshalb ab.
Wahr / Falsch #4 18s â–¶ Testen

Reibung ist immer störend und sollte möglichst vermieden werden.

âś“ Falsch
Falsch. Reibung bremst zwar, ermöglicht aber erst Gehen, Bremsen und Anfahren. Ohne Haftreibung zwischen Schuh und Boden käme man keinen Schritt voran.
LĂĽckentext #5 15s â–¶ Testen

Reibungskräfte wirken stets ___ zur Bewegungsrichtung.

âś“ Antwort: entgegengesetzt
Reibung ist eine bewegungshemmende Kraft und zeigt immer entgegen der Bewegung. Deshalb bremst sie und wandelt Bewegungsenergie in Wärme um.
Wahr / Falsch #6 18s â–¶ Testen

Reibung wandelt Bewegungsenergie in Wärme um — deshalb werden Bremsen heiß.

âś“ Wahr
Richtig. Reibungskräfte wandeln kinetische Energie in Wärme um. An einer stark benutzten Bremse spürt man diese Wärme deutlich.
Mittel
Multiple Choice #1 22s â–¶ Testen

Warum kannst du auf trockenem Boden gut gehen, auf Glatteis aber kaum?

  • â—Ź Auf Glatteis ist die Haftreibung zwischen Schuh und Boden zu klein
  • â—‹ Auf Eis wirkt keine Gewichtskraft mehr
  • â—‹ Eis stößt die FĂĽĂźe aktiv ab
Zum Gehen brauchst du Haftreibung, um dich vom Boden abzustoĂźen. Auf glattem Eis ist sie sehr klein, deshalb rutschst du. Die Gewichtskraft wirkt weiter.
Wahr / Falsch #2 18s â–¶ Testen

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?

âś“ Wahr
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.
Multiple Choice #3 25s â–¶ Testen

Zwei gleich schwere Blätter Papier fallen — eines flach ausgebreitet, eines fest zusammengeknüllt. Welches fällt schneller?

  • â—Ź Das zusammengeknĂĽllte, weil es dem Luftwiderstand eine kleinere Fläche bietet
  • â—‹ Das flache Blatt, weil es mehr Luft einfängt
  • â—‹ Beide fallen gleich schnell, die Form ist egal
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.
Multiple Choice #4 25s â–¶ Testen

Ein Fallschirmspringer sinkt schließlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Was gilt dann für die Kräfte?

  • â—Ź Luftwiderstand und Gewichtskraft sind gleich groĂź
  • â—‹ Es wirkt gar keine Kraft mehr auf ihn
  • â—‹ Die Gewichtskraft ist verschwunden
Gleichbleibende Geschwindigkeit heißt Kräftegleichgewicht. Der mit dem Tempo gewachsene Luftwiderstand ist genauso groß wie die Gewichtskraft — die resultierende Kraft ist null (Endgeschwindigkeit).
Wahr / Falsch #5 22s â–¶ Testen

Beim Fallschirmspringen wächst der Luftwiderstand mit der Geschwindigkeit, bis er die Gewichtskraft ausgleicht.

âś“ Wahr
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.
Multiple Choice #6 25s â–¶ Testen

Eine schwere Kiste steht auf dem Boden. Wann ist die nötige Schiebekraft am größten?

  • â—Ź Beim Losschieben, um die Haftreibung zu ĂĽberwinden
  • â—‹ Während die Kiste schon gleichmäßig gleitet
  • â—‹ Wenn die Kiste bereits schnell gleitet
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.
Multiple Choice #7 25s â–¶ Testen

Tom sagt: „Der Ball rollt aus, weil die Kraft vom Anstoß langsam alle wird." Was stimmt wirklich?

  • â—Ź Nicht eine verbrauchte Kraft, sondern die Reibung bremst den Ball ab
  • â—‹ Tom hat recht — die AnstoĂźkraft steckt im Ball und verbraucht sich
  • â—‹ Der Ball hört ohne Grund von selbst auf
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.
Multiple Choice #8 25s â–¶ Testen

Wodurch kann ein Auto ĂĽberhaupt anfahren und auf der StraĂźe beschleunigen?

  • â—Ź Durch die Reibung (Haftreibung) zwischen Reifen und StraĂźe
  • â—‹ Nur durch die Motorkraft; die Reibung stört dabei bloĂź
  • â—‹ Durch den Luftwiderstand, der es anschiebt
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.
Schwer
Multiple Choice #1 20s â–¶ Testen

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?

  • â—Ź Die Stahlkugel
  • â—‹ Beide gleichzeitig
  • â—‹ Der Tischtennisball
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.
Multiple Choice #2 20s â–¶ Testen

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?

  • â—Ź Etwa doppelt so schnell
  • â—‹ Gleich schnell
  • â—‹ Etwa viermal so schnell
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.