Aufgaben: Erstes Gesetz: die Trägheit

Du stehst im Bus, ohne dich festzuhalten, und plötzlich bremst der Fahrer abrupt. Wohin neigt sich dein Körper, nach vorn oder nach hinten? Erkläre es mit dem ersten newtonschen Gesetz (Trägheitsgesetz).

Warum muss man auch auf den Rücksitzen im Auto den Sicherheitsgurt anlegen? Erkläre, was bei einer starken Bremsung mit deinem Körper geschehen würde, wenn du nicht angeschnallt wärst, und stelle den Zusammenhang zur Trägheit her.

Du legst eine Münze auf einen Pappdeckel, der die Öffnung eines Glases bedeckt, und ziehst den Pappdeckel ruckartig waagerecht weg, wie in der Abbildung gezeigt.

Die Münze fällt ins Glas, statt mit dem Pappdeckel wegzufliegen. Erkläre den Trick mit dem ersten newtonschen Gesetz.

Ergänze den Satz mit den fehlenden Wörtern: „Wenn die auf einen Körper wirkende Gesamtkraft null ist, bleibt ein ruhender Körper $\dots$ in Ruhe und ein bewegter Körper bewegt sich weiter mit $\dots$ Bewegung und $\dots$ und Geschwindigkeit $\dots$.“ Nenne anschließend zu jedem Fall ein Beispiel.

Wenn ein Auto plötzlich anfährt, spüren die Insassen, wie ihr Kopf nach hinten gegen die Kopfstütze gedrückt wird. Bedeutet das, dass eine Kraft sie nach hinten drückt? Erkläre es mit dem Begriff der Trägheit.

Bei einem Eishockeyspiel schlägt ein Spieler den Puck, und dieser gleitet fast ohne abzubremsen bis ans andere Ende der Eisfläche. Was sagt das erste newtonsche Gesetz über die Bewegung des Pucks, solange ihn niemand berührt? Warum kommt er auf einer echten Eisfläche irgendwann zum Stillstand?

Anna sitzt zu Hause auf dem Sofa. Ist sie in Ruhe oder in Bewegung? Antworte, indem du zwei verschiedene Bezugssysteme wählst:

1. a) Bezogen auf die Wände ihres Hauses.
2. b) Bezogen auf die Sonne.

Was folgerst du daraus für die Aussage, sie „ruhe“, ohne weitere Angabe?

Um einen Teppich vom Staub zu befreien, hängt man ihn auf und schlägt ihn mit einem Teppichklopfer: Der Teppich bewegt sich ruckartig und der Staub fliegt heraus. Erkläre das Phänomen mit der Trägheit des Staubs.

In Shows sieht man den Trick, ein Tischtuch ruckartig wegzuziehen, ohne dass das Geschirr darauf herunterfällt, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Erkläre mit dem ersten newtonschen Gesetz, warum der Trick funktioniert.
2. b) Was würde deiner Meinung nach passieren, wenn du sehr langsam am Tischtuch ziehen würdest? Begründe deine Antwort.

Marc sitzt in einem Zug, der mit konstanter Geschwindigkeit auf gerader Strecke fährt, und wirft einen Ball senkrecht nach oben, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Fällt der Ball wieder in seine Hand, davor oder dahinter? Begründe.
2. b) Würde sich die Antwort ändern, wenn der Zug genau in diesem Moment bremsen würde? Erkläre.

In einem Flugzeug im Reiseflug ruht für dich dein Koffer im Gepäckfach; für jemanden, der dich vom Boden aus sehen könnte, bewegt sich der Koffer jedoch mit etwa $900\ \text{km/h}$.

1. a) Wer hat recht?
2. b) Erkläre, was ein Bezugssystem ist und warum Ruhe und Bewegung immer in Bezug auf eines beschrieben werden.

Der Kopf eines Hammers hat sich vom Stiel gelockert. Dein Opa repariert ihn, indem er das untere Ende des Stiels mehrmals mit kurzen, kräftigen Schlägen auf den Boden stößt.

1. a) Erkläre mit der Trägheit, warum der Kopf auf diese Weise wieder fest sitzt.
2. b) Worin ähnelt dieser Trick dem Ausklopfen eines Teppichs, um den Staub zu entfernen? Nenne das Konzept, das beiden zugrunde liegt.

In einem Bus, der wie in der Abbildung (Ansicht von oben) einen Kreisverkehr nach links durchfährt, neigen sich die stehenden Fahrgäste nach rechts.

1. a) Drückt sie irgendeine Kraft nach rechts?
2. b) Erkläre es mit dem ersten newtonschen Gesetz und überlege dabei, in welche Richtung jeder Körper sich weiterzubewegen versucht.

Ein Ball rollt über den Schulhof und bleibt schließlich liegen, obwohl ihn niemand berührt. Ein Freund sagt: „Das beweist, dass das erste newtonsche Gesetz im echten Leben nicht gilt.“ Hat er recht? Erkläre, welche Kraft hier wirkt und was auf einer vollkommen glatten Oberfläche ohne Reibung passieren würde.

Ein Raumschiff fliegt mit abgeschalteten Triebwerken durch den tiefen Weltraum, weit weg von Planeten und Sternen.

1. a) Was macht das Raumschiff: Bleibt es stehen, wird es langsam langsamer oder fliegt es mit konstanter Geschwindigkeit weiter? Begründe mit dem ersten Gesetz.
2. b) Braucht man Treibstoff, um die Geschwindigkeit beizubehalten? Und um sie zu ändern? Erkläre den Unterschied.

Wenn man einen nassen Regenschirm schnell dreht, fliegen die Wassertropfen geradlinig davon.

1. a) Erkläre mit der Trägheit, warum die Tropfen nicht mit dem Schirm weiterkreisen, wenn sie sich lösen.
2. b) Was hielt sie während der Drehung am Stoff fest?

Eine volle Wasserflasche hängt an einem Faden und hat unten einen gleichen Faden angebunden, wie in der Abbildung gezeigt. Wenn du langsam am unteren Faden ziehst, reißt der obere Faden; ziehst du aber ruckartig, reißt der untere.

1. a) Erkläre, warum beim langsamen Ziehen der obere Faden reißt (überlege, welche Kräfte jeder Faden aushalten muss).
2. b) Erkläre mit der Trägheit der Flasche, warum beim ruckartigen Ziehen der untere Faden reißt.
3. c) Sage voraus, was bei einer fast leeren Flasche passieren würde, und begründe, welche Rolle ihre Masse spielt.

Mia hat im Auto einen Heliumballon mit einem kurzen Faden festgebunden. Überraschenderweise neigt sich der Ballon beim Bremsen nach hinten, genau entgegengesetzt zu den Fahrgästen.

1. a) Beschreibe, was beim Bremsen mit den Fahrgästen geschieht, und erkläre es mit der Trägheit.
2. b) Auch die Luft im Innenraum des Autos besitzt Trägheit: Überlege, was beim Bremsen mit dieser Luft geschieht und wie das erklärt, dass der Ballon, der leichter ist als Luft, nach hinten ausweicht.

Ein Buch liegt auf dem glatten Armaturenbrett eines Autos (fast ohne Reibung). Beschreibe und erkläre mit dem ersten Gesetz, was in jeder Situation mit dem Buch geschieht:

1. a) Das Auto fährt abrupt an.
2. b) Das Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus.
3. c) Das Auto bremst stark.
4. d) In einem echten Auto ist das Armaturenbrett nicht so glatt: Welche Rolle spielt die Reibung zwischen Buch und Armaturenbrett?

Ein Skater fährt eine Straße entlang und sein Board stößt gegen einen kleinen Stein: Das Board bleibt abrupt stehen und er fliegt nach vorn.

1. a) Erkläre mit dem ersten Gesetz, warum er nach vorn geschleudert wird.
2. b) Stelle einen Zusammenhang zwischen diesem Unfall und der Funktion des Sicherheitsgurts im Auto her.
3. c) Wenn das Board statt an einem Stein allmählich abbremsen würde, weil es ins Gras rollt, würde er dann mit so großer Wucht nach vorn fliegen? Begründe.

Stell dir vor, du sitzt in einem Zugabteil ohne Fenster, so gut isoliert, dass du nichts von draußen hörst oder spürst, und der Zug fährt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer vollkommen geraden und glatten Strecke.

1. a) Könntest du, ohne nach draußen zu schauen, feststellen, ob der Zug steht oder fährt? Begründe mit dem ersten Gesetz.
2. b) Und wenn der Zug beschleunigen oder bremsen würde? Beschreibe einen einfachen Versuch, den du im Abteil durchführen könntest, um es zu bemerken.

Ben trägt einen bis zum Rand mit Wasser gefüllten Plastikbecher, der auf der Armlehne im Auto steht.

1. a) Erkläre mit der Trägheit, warum das Wasser nach hinten überschwappt, wenn das Auto kräftig anfährt.
2. b) Sage voraus, was in einer schnellen Rechtskurve passiert, und begründe es.
3. c) Würde das Wasser überschwappen, wenn das Auto mit $120\ \text{km/h}$ geradeaus fährt, sanft und ohne Geschwindigkeitsänderungen? Erkläre den Unterschied.

Ein Tankwagen transportiert Milch, der Tank ist halb gefüllt. Der Fahrer merkt, dass die Ladung beim Bremsen den Lkw nach vorn „drückt“.

1. a) Erkläre mit dem ersten Gesetz, was die Milch im Tank beim Bremsen macht.
2. b) Warum ist es gefährlicher, den Tank nur halb gefüllt zu fahren als ganz voll, wenn die Ladung keinen Platz zum Schwappen hat?
3. c) Welche Vorsichtsmaßnahmen sollte der Fahrer treffen? Stelle den Bezug zur Trägheit her.

Ein Radfahrer, der mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fährt, lässt einen Schraubenschlüssel aus der Hand fallen, ohne ihn zu stoßen. Vernachlässige den Luftwiderstand.

1. a) Fällt der Schraubenschlüssel, vom Radfahrer aus gesehen, genau unter die Stelle, an der er ihn losgelassen hat, davor oder dahinter? Begründe.
2. b) Beschreibe die Bahn, die eine Person sieht, die am Gehweg steht.
3. c) Erkläre den Unterschied zwischen beiden Beschreibungen mithilfe der Bezugssysteme und der Trägheit.