Kreisbewegung
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?
Beschreibung der gleichförmigen Kreisbewegung
Eine Bewegung auf einer Kreisbahn mit dem Radius heißt gleichförmig, wenn der Betrag der Geschwindigkeit konstant ist. Die Umlaufdauer ist die Zeit für einen Umlauf. Die Frequenz gibt die Umläufe je Sekunde an (Einheit Hertz, ). Die Bahngeschwindigkeit ist der Betrag der Geschwindigkeit. Der Vektor zeigt tangential zur Kreisbahn.
In einem Umlauf legt der Körper den Weg zurück. Die Winkelgeschwindigkeit 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 rad. Es gilt:
Radialbeschleunigung: Kreisbewegung ist beschleunigt
Auch bei konstantem Betrag ändert sich , denn die Richtung dreht sich. Die Geschwindigkeit ist ein Vektor, also ist die Bewegung beschleunigt. In der kurzen Zeit dreht sich um den Winkel . Der Betrag bleibt , deshalb ist die Änderung bei kleinem Winkel ein kurzer Pfeil der Länge . Er steht senkrecht auf und zeigt zum Kreismittelpunkt. Die Beschleunigung ist . Diese Radialbeschleunigung (Zentripetalbeschleunigung) zeigt zum Mittelpunkt:
Wäscheschleuder
Wäscheschleuder
Die Trommel einer Wäscheschleuder (Radius 15 cm) dreht sich mit 1200 Umdrehungen pro Minute. Bestimme Frequenz, Winkelgeschwindigkeit, Bahngeschwindigkeit am Rand und Radialbeschleunigung.
Frequenz: , also s. Winkelgeschwindigkeit: . Bahngeschwindigkeit: m/s, etwa 68 km/h.
Radialbeschleunigung: . Das ist etwa das 240-Fache der Fallbeschleunigung .
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 folgt:
Auto in der Kurve
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 angenommen wird?
Zentripetalkraft: N. Auf ebener Straße liefert die Haftreibung sie, und diese ist höchstens . Nötig ist .
Grenzfall: . Die Masse kürzt sich, und m/s, etwa 50 km/h. Mit 54 km/h rutscht das Auto bei diesem Wert nach außen weg.
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 . 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 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.
Die Zentripetalkraft als zusätzliche Kraft
Die Zentripetalkraft als zusätzliche Kraft
„Am Körper am Seil wirken die Seilkraft und zusätzlich noch eine Zentripetalkraft nach innen.“
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.
Der Körper fliegt nach außen weg
Der Körper fliegt nach außen weg
„Reißt das Seil, fliegt der Körper wegen der Zentrifugalkraft radial nach außen.“
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 , Frequenz , Bahngeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit hängen über zusammen.
Die Geschwindigkeit ändert bei der Kreisbewegung ständig ihre Richtung. Die gleichförmige Kreisbewegung ist deshalb eine beschleunigte Bewegung.
Die Radialbeschleunigung zeigt zum Mittelpunkt und steht senkrecht auf .
Die Zentripetalkraft ist die resultierende Kraft zum Mittelpunkt, keine zusätzliche Kraft.
Im mitrotierenden System erscheint die Zentrifugalkraft nach außen. Sie ist eine Scheinkraft ohne Gegenkraft.
Fällt die Zentripetalkraft weg, bewegt sich der Körper tangential geradlinig weiter.
Übungen
Ein Rad (Radius 0,30 m) dreht sich mit 120 Umdrehungen pro Minute. Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit am Rand, in m/s?
Ein Körper bewegt sich mit 12 m/s auf einer Kreisbahn mit dem Radius 36 m. Wie groß ist seine Radialbeschleunigung, in m/s²?
Eine Kugel kreist an einem Faden reibungsfrei auf einem waagerechten Tisch. Der Faden reißt. Wie bewegt sich die Kugel danach, von oben gesehen?
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.
Auf einer sich drehenden Scheibe sitzen zwei Kinder, eines nahe der Mitte, eines am Rand. Vergleiche Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit beider Kinder und begründe.