Anwendungen im Alltag: Gewichtskraft, Normalkraft, Reibung und Verkehrssicherheit

Eine Lampe steht ruhig auf dem Nachttisch und fällt nicht zu Boden, wie in der Abbildung gezeigt.

Die Erde zieht sie mit ihrer Gewichtskraft nach unten: Welche andere Kraft wirkt auf die Lampe, wer übt sie aus und in welcher Richtung und mit welchem Richtungssinn wirkt sie?

Du hältst eine Tüte mit $2\ \text{kg}$ Orangen ruhig auf der flachen Hand, wie in der Abbildung gezeigt. Verwende $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Wie groß ist die Gewichtskraft der Tüte?
2. b) Mit welcher Kraft drückt deine Hand nach oben? Begründe dies mit der Überlegung, dass die Tüte nicht beschleunigt.

Eine Waschmaschine mit $60\ \text{kg}$ steht ruhig auf dem Küchenboden. Verwende $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Berechne ihre Gewichtskraft.
2. b) Wie groß ist die Normalkraft, die der Boden auf sie ausübt? Begründe.
3. c) Gewichtskraft und Normalkraft sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, bilden aber KEIN Kraft-Gegenkraft-Paar: Erkläre, warum (Tipp: Achte darauf, an welchem Körper jede angreift).

Ein Buch liegt ruhig auf einem Tisch, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Nenne die beiden Kräfte, die auf das Buch wirken, wer sie jeweils ausübt und in welche Richtung sie wirken.
2. b) Erkläre, warum diese beiden Kräfte kein Kraft-Gegenkraft-Paar bilden.
3. c) Gib an, was die wirkliche Gegenkraft zur Gewichtskraft des Buches ist (Tipp: Wen zieht das Buch an?) und die wirkliche Gegenkraft zur Normalkraft (Tipp: Welche Kraft übt das Buch auf den Tisch aus?).

Nenne zwei Alltagssituationen, in denen uns die Reibung hilft (ohne sie könnten wir etwas nicht tun), und erkläre jede kurz.

Nenne zwei Alltagssituationen, in denen die Reibung stört (sie verbraucht Energie, verschleißt Teile oder erwärmt), und erkläre, wie sie jeweils meist verringert wird.

Erkläre, warum man auf einem vereisten Gehweg so leicht ausrutscht. Was hat die Reibung damit zu tun? Warum streut man Salz oder Sand auf das Eis?

Vervollständige den Satz und gib ein Beispiel aus dem Alltag an: „Die Reibungskraft zwischen zwei sich berührenden Oberflächen wirkt immer der relativen $\dots$ zwischen ihnen oder der Tendenz zu $\dots$ entgegen."

Um das Sofa durchs Wohnzimmer zu ziehen, muss man am Anfang kräftig schieben, aber sobald es sich bewegt, gleitet es mit weniger Kraftaufwand.

1. a) Erkläre den Unterschied zwischen Haftreibung und Gleitreibung.
2. b) Was würde mit der nötigen Kraft passieren, wenn du vorher die Kissen entfernen und die Schubladen ausräumen würdest? Begründe deine Antwort.

Eine schwere Kommode über Teppichboden zu ziehen ist viel anstrengender als über glatten Marmorboden.

1. a) Erkläre, warum, und gehe dabei auf die Reibung zwischen den sich berührenden Oberflächen ein.
2. b) Nenne eine Situation, in der eine große Reibung erwünscht ist, und eine, in der eine kleine Reibung erwünscht ist.

Skifahrer wachsen vor einem Wettkampf die Lauffläche ihrer Skier.

1. a) Was erreichen sie damit? Stelle den Zusammenhang zur Reibung her.
2. b) Nenne ein weiteres Beispiel für eine Sportart oder Maschine, in der Wachs, Öl oder ein anderes Schmiermittel verwendet wird, und erkläre seine Funktion.

Mit dem Fahrrad auf einer Eisplatte zu bremsen ist sehr gefährlich.

1. a) Erkläre, was mit dem Rad und der Reibung passiert, wenn du auf Eis stark bremst.
2. b) Sage voraus, warum es in dieser Situation besser ist, sanft zu bremsen und vor allem die Hinterradbremse zu benutzen.

Du ziehst einen Gepäckwagen von $10\ \text{kg}$ mit einer waagerechten Kraft von $30\ \text{N}$ über den Flughafenboden, wie in der Abbildung gezeigt, und der Wagen bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.

1. a) Wie groß ist die resultierende Kraft auf den Wagen? Wie groß ist dann die Reibung?
2. b) Plötzlich ziehst du mit $50\ \text{N}$ (und die Reibung bleibt gleich groß): Berechne die Beschleunigung des Wagens.
3. c) Das Trägheitsgesetz besagt, dass sich ein Körper ohne Kräfte weiterbewegen würde: Warum muss man dann weiterziehen, um die Geschwindigkeit konstant zu halten? Es gibt keinen Widerspruch: Erkläre es.

Ein liegengebliebenes Auto muss von der Fahrbahn geschoben werden. Es ist sehr schwer, es in Gang zu bringen, aber sobald es rollt, bleibt es mit einem leichten Schub in Bewegung.

1. a) Erkläre den ersten Abschnitt mit der Trägheit und der Haftreibung.
2. b) Erkläre den zweiten Abschnitt mit der Gleit- bzw. Rollreibung und dem Trägheitsgesetz.
3. c) Wenn ihr auf ebenem Asphalt aufhören würdet zu schieben, würde das Auto sofort stehen bleiben? Begründe deine Antwort.

Autoreifen haben ein Profil in der Lauffläche und müssen ausgetauscht werden, wenn sie „glatt" sind. Erkläre, wozu dieses Profil dient und welche Gefahr es birgt, mit glatten Reifen zu fahren, vor allem bei nasser Fahrbahn.

Ordne diese Situationen nach dem Bremsweg von kurz nach lang und begründe die Reihenfolge mit der Geschwindigkeit und der verfügbaren Reibung:

1. a) Ein Auto mit $50\ \text{km/h}$ auf trockener Fahrbahn.
2. b) Dasselbe Auto mit $50\ \text{km/h}$ auf nasser Fahrbahn.
3. c) Dasselbe Auto mit $100\ \text{km/h}$ auf trockener Fahrbahn.

Zwei identische Autos (gleiche Masse) fahren das eine mit $50\ \text{km/h}$ und das andere mit $100\ \text{km/h}$, und beide bremsen gleichzeitig mit derselben Bremskraft.

1. a) Erkläre mit dem Grundgesetz der Mechanik, warum beide gleich stark verzögern.
2. b) Begründe, welches der beiden mehr Zeit und damit mehr Meter bis zum Stillstand braucht.
3. c) Erkläre mit dieser Überlegung, warum innerorts die Höchstgeschwindigkeit $30\ \text{km/h}$ oder $50\ \text{km/h}$ und nicht $120\ \text{km/h}$ beträgt.

In Fahrschulen wird empfohlen, bei Regen den Sicherheitsabstand zu verdoppeln oder zu verdreifachen.

1. a) Erkläre, was bei Nässe mit der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn passiert (das Wasser wirkt als „Schmiermittel").
2. b) Stelle den Zusammenhang zwischen dieser geringeren Reibung und der maximal verfügbaren Bremskraft her und, mithilfe des Grundgesetzes der Mechanik, mit der Verzögerung, die das Auto erreichen kann.
3. c) Folgere: Warum muss man bei Regen langsamer fahren, obwohl Auto und Bremsen exakt dieselben sind?

Abschnitte mit losem Split sind besonders in Kurven gefährlich.

1. a) Erkläre mit dem Trägheitsgesetz, was ein Auto beim Erreichen einer Kurve zu tun neigt.
2. b) Welche Kraft bewirkt tatsächlich, dass das Auto lenkt? Was passiert, wenn diese Kraft wegen losen Splits klein ist?
3. c) Stelle den Zusammenhang zu den Schildern „Rollsplit" und zur Empfehlung her, die Geschwindigkeit vor der Kurve zu verringern, nicht in der Kurve.

Herausforderung des Themas. Erstelle ein Sicherheitsgutachten zum Straßenverkehr, das Bremsvorgang und Trägheit bei Fahrzeugen analysiert.

Phase 1. Experiment: Schiebe eine kleine Kiste über einen Tisch an und verwende dabei stets dieselbe Spannung eines Gummibands. Miss den Bremsweg $d$ mit einem Lineal ($\pm 0,1\text{ cm}$) bei veränderter Masse: leer ($m$), mit Münzen ($2m$) und mit der dreifachen Masse ($3m$). Führe pro Masse drei Wiederholungen durch, berechne den Mittelwert mit seiner Messunsicherheit und erstelle eine Tabelle und ein Diagramm von $d$ in Abhängigkeit von $m$.

Phase 2. Newtonsche Analyse: Erkläre die Bewegung mit dem 1. Gesetz (Trägheit). Wende das 2. Gesetz ($F = m \cdot a$) an, um die resultierende Bremskraft abzuleiten, und bestimme das Kraft-Gegenkraft-Paar (3. Gesetz) zwischen dem Gegenstand und der Oberfläche, indem du Gewichtskraft, Normalkraft und Reibung skizzierst.

Phase 3. Anwendung im Straßenverkehr: Recherchiere auf der Website des Deutschen Verkehrssicherheitsrats (DVR) die Faktoren, die den Anhalteweg verändern. Verfasse einen begründeten Vorschlag mit drei Empfehlungen für Fahrer, in dem du mit der behandelten Physik und den Daten des DVR die Gefahr von Überladung und Reifenverschleiß begründest, und diskutiere, ob deine experimentellen Daten ausreichen, um die Gefahr der Beladung zu erklären.

Bewertet wird:

• Sorgfalt bei der Datenerfassung, Umgang mit der Messunsicherheit und Erstellung von Tabelle und Diagramm.

• Fachliche Richtigkeit bei der Anwendung der drei newtonschen Gesetze und der beteiligten Kräfte.

• Qualität des Verkehrsvorschlags, gestützt auf die experimentellen Daten und die des DVR.

Erkläre, wozu der Fahrradhelm dient, und überlege, was bei einem Sturz mit und ohne Helm mit deinem Kopf passieren würde. Welchen Vorteil hat es, dass der Aufprall etwas länger dauert?

Bei einem Unfall bewegt sich der Kopf des Fahrers tendenziell weiter nach vorn (Trägheitsgesetz). Der Airbag bläht sich in einem Bruchteil einer Sekunde auf, um ihn abzubremsen.

1. a) Warum ist es weniger schädlich, den Kopf mit dem Airbag abzubremsen als am Lenkrad?
2. b) Stelle den Zusammenhang zum Grundgesetz der Mechanik her: Was passiert mit der Kraft, wenn sich das Abbremsen auf mehr Zeit verteilt?

Der Motorradhelm hat innen eine dicke Schaumstoffschicht, die sich bei einem Aufprall verformt.

1. a) Erkläre, welchen Vorteil es hat, dass sich der Schaumstoff verformt, statt völlig starr zu sein.
2. b) Warum wird empfohlen, den Helm nach einem starken Aufprall auszutauschen, auch wenn er außen unversehrt aussieht?

Analysiere einen Frontalaufprall mit $50\ \text{km/h}$ mithilfe der newtonschen Gesetze:

1. a) Erkläre mit dem Trägheitsgesetz, was der Körper eines nicht angeschnallten Insassen im Moment des Aufpralls tut.
2. b) Erkläre, welche zwei Dinge der Gurt zu seinem Schutz leistet: ihn festhalten und die Kraft auf widerstandsfähige Körperzonen verteilen.
3. c) Der Airbag verlängert die Dauer des Abbremsens des Kopfes: Begründe mit dem Grundgesetz der Mechanik, warum das die Kraft verringert, die auf den Kopf wirkt.

Moderne Autos werden mit „Knautschzonen" konstruiert: Die Karosserie verformt sich bei einem Aufprall kontrolliert.

1. a) Auf den ersten Blick scheint ein unverformbares Auto besser: Erkläre, warum es für die Insassen in Wirklichkeit schlechter wäre.
2. b) Stelle den Zusammenhang zwischen der Verformung und der Dauer des Abbremsens beim Aufprall her und, mithilfe des Grundgesetzes der Mechanik, mit der Kraft, die die Insassen erreicht.
3. c) Welche Ähnlichkeit hat diese Konstruktion mit dem Airbag und mit dem Schaumstoff im Helm?