Der zentrale, unelastische Stoß.
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etwas Zeit. |
.1.) Begriffsklärungen:
"Zentraler Stoß" bedeutet, die
Fahrzeuge treffen direkt aufeinander, so dass die Schwerpunkte auf einer Linie
liegen.
Die Fahrzeuge bewegen sich vor und nach dem Stoß auf dieser Linie.
Ein Gegensatz dazu wäre ein "versetzter Stoß", bei dem die
Fahrzeuge diese Linie verlassen.
Bei einem "unelastischen Stoß"
bewegen sich die Fahrzeuge nach dem Stoßvorgang gemeinsam weiter,
sie verhaken sich ineinander.
Solche Stöße gibt es z.B. häufig bei Auffahrunfällen oder
Frontalusammenstößen.
2.) Was ist "Impuls"?
Für das Verständnis von Stoßvorgängen ist der Begriff
"Impuls" besonders wichtig.
Im Alltag benutzen häufig Begriffe wie "Schwung" oder
"Wucht". "Impuls" ist der physikalisch richtige Begriff
dafür.
a) Derselbe Fußball wir einmal "scharf" - mit großer
Geschwindigkeit - geschossen, das andere Mal eher "schwach", d.h. mit
kleiner Geschwindigkeit.
Welcher Ball ist leichter zu "stoppen"??
Der Impuls ist sicher dann größer, wenn sich der Ball mit größerer Geschwindigkeit bewegt.
b) Drei Bälle, ein Volleyball, ein Basketball und ein Medizinball
fliegen alle mit gleicher Geschwindigkeit.
Welcher der Bälle ist am leichtesten, welcher am schwersten zu
stoppen?
Der Impuls hängt auch von der Masse der Körper ab. Je größer die Masse, desto größer der Impuls, wenn sich die Körper mit gleicher Geschwindigkeit bewegen.
Am leichtesten zu stoppen ist wohl ein langsamer Volleyball, am schwersten ein schneller Medizinball.
Unter dem Impuls p versteht man das Produkt aus der Masse und der
Geschwindigkeit eines Körpers:
p = m * v.
3.) Fahrzeug A fährt auf Fahrzeug B auf - Ampelunfall.
Das Fahrzeug B steht an einer Ampel, die
"rot" zeigt.
Der Fahrer von Fahrzeug A reagiert nicht und
fährt mit konstanter Geschwindigkeit ungebremst auf Fahrzeug B auf. Die Fahrzeuge verhaken sich und fahren
nach dem Stoß mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit weiter.
Die Geschwindigkeit (in m/s) wird oberhalb des jeweiligen Fahrzeugs
angezeigt.
Die Masse der beiden Wagen kann man in den Auswahlfeldern verändern.
Fragen / Aufgaben:
Welche Geschwindigkeit haben die beiden Fahrzeuge nach dem Stoß, wenn:
- Wagen B dieselbe Masse wie Wagen A hat? (Kleinwagen auf Kleinwagen)
- Wagen B die doppelte Masse von Wagen A hat? (Kleinwagen auf Transporter)
- Wagen B die dreifache Masse von Wagen A hat? (Kleinwagen auf LKW)
- Wagen A die doppelte Masse von Wagen B hat? ( Transporter auf Kleinwagen)
- Was kann man über den gesamten Impuls der Fahrzeuge (Summe der
Impulse) vor und nach dem Stoß aussagen?
(Erinnerung : Impuls p = Masse m * Geschwindigkeit v)
4.) Die beiden Fahrzeuge fahren gegeneinander - Frontalzusammenstoß.
Hier fahren zwei Fahrzeuge frontal aufeinander. Wie steht es dabei mit der Erhaltung des Impulses?
Arbeite die Aufgaben unter dem Applet durch.
Fragen / Aufgaben:
a) Gleiche Massen, gleiche Geschwindigkeiten.
Belasse die Grundeinstellungen. Nun fahren zwei Wagen mit einer Masse von 1 kg mit 3 m/s aufeinander zu.
- Welchen Impuls haben Wagen A und Wagen B vor dem Stoß?
- Welchen Impuls haben sie nach dem Stoß?
Der Impuls ist eine Vektorgröße, d.h. bei der Addition verschiedener Impuls muss man die Richtung beachten.
Hier haben beide Fahrzeuge gleiche Masse und gleiche Geschwindigkeit,
also haben sie auch (betragsmäßig) den gleichen Impuls. |
b) Gleiche Massen, unterschiedliche Geschwindigkeiten.
Was passiert, wenn die Fahrzeuge zwar gleiche Massen aber
unterschiedliche Geschwindigkeiten haben?
Belasse die Massen bei "1 kg" und ändere die Geschwindigkeiten.
- Wo erfolgt der Stoß jeweils?
- Wohin bewegen sich die Fahrzeuge nach dem Stoß?
- Mit welcher (gemeinsamen) Geschwindigkeit bewegen sie sich nach dem Stoß?
- Überprüfe jeweils die Impulserhaltung!
c) Unterschiedliche Massen, gleiche Geschwindigkeiten.
Was passiert, wenn die Fahrzeuge zwar gleiche Geschwindigkeit aber
unterschiedliche Massen haben?
Belasse die Geschwindigkeiten bei "3 m/s" und ändere die Massen.
- Wo erfolgt der Stoß jeweils?
- Wohin bewegen sich die Fahrzeuge nach dem Stoß?
- Mit welcher (gemeinsamen) Geschwindigkeit bewegen sie sich nach dem Stoß?
- Überprüfe jeweils die Impulserhaltung!
5.) .... und wie steht es mit der Energieerhaltung??
Fahren zwei Wagen mit gleicher Masse und betragsmäßig gleichen
Geschwindigkeiten aufeinander zu, so haben beide vor dem Stoß eine
kinetische Energie.
Nach dem Stoß sind sie in Ruhe (s.o.), d.h. die kinetische Energie ist
dann 0.
Wo ist die Energie geblieben? Ist der Energieerhaltungssatz hier verletzt?
Schau dir mal zwei Autos nach einem Frontalzusammenstoß an, dann weißt du, wo die Energie geblieben ist!
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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets
von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA (Copyright Hinweise) |