Lektion 1.3

Kreisbewegung

19 min Lesezeit

Ein Kettenkarussell dreht sich gleichmäßig, und die Sitze schwingen nach außen. Aus einer Wäscheschleuder spritzt das Wasser durch die Löcher der Trommel. Im Auto spürst du in der Kurve, wie du gegen die Tür gedrückt wirst.

In allen drei Fällen bleibt das Tempo gleich, nur die Richtung ändert sich. Ist das überhaupt eine Beschleunigung? Welche Kraft hält einen Körper auf der Kreisbahn? Und ist die Kraft, die dich nach außen zu drücken scheint, eine echte Kraft?

Definition

Beschreibung der gleichförmigen Kreisbewegung

Eine Bewegung auf einer Kreisbahn mit dem Radius rr heißt gleichförmig, wenn der Betrag der Geschwindigkeit konstant ist. Die Umlaufdauer TT ist die Zeit für einen Umlauf. Die Frequenz f=1:Tf = 1 : T gibt die Umläufe je Sekunde an (Einheit Hertz, 1 Hz=1 s−11\,\text{Hz} = 1\,\text{s}^{-1}). Die Bahngeschwindigkeit vv ist der Betrag der Geschwindigkeit. Der Vektor v⃗\vec{v} zeigt tangential zur Kreisbahn.

In einem Umlauf legt der Körper den Weg 2πr2\pi r zurück. Die Winkelgeschwindigkeit ω\omega ist der überstrichene Winkel je Zeit. Der Winkel wird im Bogenmaß angegeben, als Länge des zugehörigen Bogens auf dem Kreis mit Radius 1 (Einheit rad). Ein voller Umlauf sind 2π≈6,282\pi \approx 6{,}28 rad. Es gilt:

v=2πrT=2πrf,ω=ΔφΔt=2πT=2πf,v=ω rv = \frac{2\pi r}{T} = 2\pi r f, \qquad \omega = \frac{\Delta\varphi}{\Delta t} = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f, \qquad v = \omega\,r
Definition

Radialbeschleunigung: Kreisbewegung ist beschleunigt

Auch bei konstantem Betrag ändert sich v⃗\vec{v}, denn die Richtung dreht sich. Die Geschwindigkeit ist ein Vektor, also ist die Bewegung beschleunigt. In der kurzen Zeit Δt\Delta t dreht sich v⃗\vec{v} um den Winkel Δφ=ω Δt\Delta\varphi = \omega\,\Delta t. Der Betrag bleibt vv, deshalb ist die Änderung Δv⃗\Delta\vec{v} bei kleinem Winkel ein kurzer Pfeil der Länge v Δφv\,\Delta\varphi. Er steht senkrecht auf v⃗\vec{v} und zeigt zum Kreismittelpunkt. Die Beschleunigung ist ar=∣Δv⃗∣:Δt=v ωa_r = |\Delta\vec{v}| : \Delta t = v\,\omega. Diese Radialbeschleunigung (Zentripetalbeschleunigung) zeigt zum Mittelpunkt:

ar=ω v=ω2r=v2ra_r = \omega\,v = \omega^2 r = \frac{v^2}{r}
Beispiel

Wäscheschleuder

Die Trommel einer Wäscheschleuder (Radius 15 cm) dreht sich mit 1200 Umdrehungen pro Minute. Bestimme Frequenz, Winkelgeschwindigkeit, Bahngeschwindigkeit am Rand und Radialbeschleunigung.

Frequenz: f=1200:60=20 Hzf = 1200 : 60 = 20\,\text{Hz}, also T=0,050T = 0{,}050 s. Winkelgeschwindigkeit: ω=2πf≈125,7 rad/s\omega = 2\pi f \approx 125{,}7\,\text{rad/s}. Bahngeschwindigkeit: v=ωr=125,7⋅0,15≈18,8v = \omega r = 125{,}7 \cdot 0{,}15 \approx 18{,}8 m/s, etwa 68 km/h.

Radialbeschleunigung: ar=ω2r≈125,72⋅0,15≈2,4⋅103 m/s2a_r = \omega^2 r \approx 125{,}7^2 \cdot 0{,}15 \approx 2{,}4 \cdot 10^3\,\text{m/s}^2. Das ist etwa das 240-Fache der Fallbeschleunigung gg.

Kettenkarussell

Drücke „Start“. Das Kettenkarussell dreht sich gleichförmig. Unter dem Bild stehen Winkelgeschwindigkeit, Bahnradius und Bahngeschwindigkeit. Multipliziere Winkelgeschwindigkeit und Bahnradius und vergleiche mit der Bahngeschwindigkeit. Im Diagramm laufen die Koordinaten x und y des Sitzes wie Kosinus und Sinus über der Zeit.

Definition

Zentripetalkraft

Nach dem Grundgesetz braucht jede Beschleunigung eine resultierende Kraft. Bei der Kreisbewegung muss sie zum Mittelpunkt zeigen. Diese Zentripetalkraft ist keine eigene Kraftart, sondern der Name für die Summe aller Kräfte in Richtung Mittelpunkt. Sie kann eine Seilkraft sein (Hammerwurf), die Haftreibung zwischen Reifen und Straße (ebene Kurve), eine Komponente der Normalkraft (Steilkurve) oder die Gravitationskraft (Planet). Du zeichnest sie nicht zusätzlich in die Kräftebilanz ein, sondern berechnest sie aus den vorhandenen Kräften. Aus F=maF = m a folgt:

FZ=m ar=m v2r=m ω2 rF_Z = m\,a_r = \frac{m\,v^2}{r} = m\,\omega^2\,r
Beispiel

Auto in der Kurve

Ein Pkw (1200 kg) fährt mit 54 km/h (15 m/s) durch eine ebene Kurve mit dem Radius 50 m. Welche Kraft hält ihn auf der Bahn? Welche Haftreibungszahl ist mindestens nötig? Bis zu welcher Geschwindigkeit reicht die Haftung bei Nässe, wenn dort μH=0,40\mu_H = 0{,}40 angenommen wird?

Zentripetalkraft: FZ=1200⋅152:50=5400F_Z = 1200 \cdot 15^2 : 50 = 5400 N. Auf ebener Straße liefert die Haftreibung sie, und diese ist höchstens μH mg\mu_H\,m g. Nötig ist μH≥5400:(1200⋅9,81)≈0,46\mu_H \geq 5400 : (1200 \cdot 9{,}81) \approx 0{,}46.

Grenzfall: μH mg=mv2:r\mu_H\,m g = m v^2 : r. Die Masse kürzt sich, und vmax⁡=μH g r=0,40⋅9,81⋅50≈14v_{\max} = \sqrt{\mu_H\,g\,r} = \sqrt{0{,}40 \cdot 9{,}81 \cdot 50} \approx 14 m/s, etwa 50 km/h. Mit 54 km/h rutscht das Auto bei diesem Wert nach außen weg.

Definition

Bezugssysteme und Scheinkraft

Im Inertialsystem (Boden) ist die Zentripetalkraft die einzige resultierende Kraft in Richtung Mittelpunkt, und sie erklärt die Bewegung. Im mitrotierenden System, etwa auf dem Karussell, ruht der Sitz dagegen. Trotzdem zieht die Kette nach innen. Damit der Sitz ruht, muss man eine gleich große Kraft nach außen annehmen, die Zentrifugalkraft FZF=mω2rF_{ZF} = m\omega^2 r. Sie ist eine Scheinkraft (Trägheitskraft): Sie tritt nur in beschleunigten Bezugssystemen auf, hat keinen Verursacher und keine Gegenkraft, und das dritte Axiom gilt für sie nicht.

Beide Beschreibungen sind möglich. Nur im Inertialsystem darfst du F=maF = m a ohne Scheinkräfte verwenden. Das Gefühl, in der Kurve nach außen gedrückt zu werden, entsteht so: Dein Körper will geradeaus weiter, das Auto biegt ab, und die Tür drückt dich mit der Zentripetalkraft auf die Kreisbahn. Gleichförmige Kreisbewegung bleibt also trotz konstantem Tempo eine beschleunigte Bewegung.

Häufige Fehler

Die Zentripetalkraft als zusätzliche Kraft

„Am Körper am Seil wirken die Seilkraft und zusätzlich noch eine Zentripetalkraft nach innen.“

Richtig ist

Die Zentripetalkraft ist die resultierende Kraft nach innen. Beim waagerecht kreisenden Körper am Seil ist sie die Seilkraft selbst. In der Kräftebilanz stehen nur die wirklichen Kräfte: Seilkraft, Gewichtskraft, Normalkraft, Reibung.

Häufige Fehler

Der Körper fliegt nach außen weg

„Reißt das Seil, fliegt der Körper wegen der Zentrifugalkraft radial nach außen.“

Richtig ist

Er fliegt tangential, in Richtung seiner Geschwindigkeit, geradlinig weiter (erstes Axiom). Im Inertialsystem wirkt keine Kraft nach außen. Die Zentrifugalkraft ist eine Scheinkraft des mitrotierenden Systems.

Zusammenfassung

  • Umlaufdauer TT, Frequenz f=1:Tf = 1 : T, Bahngeschwindigkeit v=2πr:Tv = 2\pi r : T und Winkelgeschwindigkeit ω=2π:T\omega = 2\pi : T hängen über v=ωrv = \omega r zusammen.

  • Die Geschwindigkeit ändert bei der Kreisbewegung ständig ihre Richtung. Die gleichförmige Kreisbewegung ist deshalb eine beschleunigte Bewegung.

  • Die Radialbeschleunigung ar=v2:r=ω2ra_r = v^2 : r = \omega^2 r zeigt zum Mittelpunkt und steht senkrecht auf v⃗\vec{v}.

  • Die Zentripetalkraft FZ=mv2:rF_Z = m v^2 : r ist die resultierende Kraft zum Mittelpunkt, keine zusätzliche Kraft.

  • Im mitrotierenden System erscheint die Zentrifugalkraft mω2rm\omega^2 r nach außen. Sie ist eine Scheinkraft ohne Gegenkraft.

  • Fällt die Zentripetalkraft weg, bewegt sich der Körper tangential geradlinig weiter.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Ein Rad (Radius 0,30 m) dreht sich mit 120 Umdrehungen pro Minute. Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit am Rand, in m/s?

Aufgabe 2Numerisch

Ein Körper bewegt sich mit 12 m/s auf einer Kreisbahn mit dem Radius 36 m. Wie groß ist seine Radialbeschleunigung, in m/s²?

Aufgabe 3Multiple Choice

Eine Kugel kreist an einem Faden reibungsfrei auf einem waagerechten Tisch. Der Faden reißt. Wie bewegt sich die Kugel danach, von oben gesehen?

Aufgabe 4Numerisch

Ein Hammer (angenommen 7,0 kg) wird auf einer Kreisbahn mit dem Radius 1,6 m mit 20 m/s geführt. Wie groß ist die Zentripetalkraft, die der Draht aufbringt, in N? Schreibe die Zahl ohne Punkt.

Aufgabe 5Freitext

Auf einer sich drehenden Scheibe sitzen zwei Kinder, eines nahe der Mitte, eines am Rand. Vergleiche Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit beider Kinder und begründe.