Aufgaben: Drittes Gesetz: Wechselwirkung

Beim Gehen drückt dein Fuß den Boden nach hinten und trotzdem bewegst du dich nach vorn. Bestimme die Kraft und die Gegenkraft: Erkläre, wer jede ausübt und auf welchen Körper sie wirkt.

Eine Schwimmerin kommt voran, weil ihre Arme das Wasser nach hinten drücken. Erkläre mit dem dritten newtonschen Gesetz (Wechselwirkungsgesetz), warum sie dadurch nach vorn kommt.

Du bläst einen Luftballon auf und lässt ihn ohne Zuknoten los: Er schießt davon, während er Luft verliert. Welche Kraft treibt ihn an? Bestimme Kraft und Gegenkraft in diesem Fall und gib an, auf welchen Körper jede wirkt.

Ergänze den Satz zum dritten newtonschen Gesetz: „Wenn ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft ausübt, dann übt B auf A eine andere Kraft mit demselben $\dots$, derselben $\dots$ und $\dots$ Richtungssinn aus.“ Nenne anschließend ein Beispiel aus dem Alltag.

Damit ein Ruderboot vorankommt, drückt der Ruderer das Wasser mit den Ruderblättern nach hinten. Erkläre, welche Kraft das Wasser auf die Ruder ausübt und warum sich das Boot nach vorn bewegt.

Um nach oben zu springen, beugst du die Beine und drückst den Boden nach unten. Erkläre mit dem dritten Gesetz, warum du nach oben katapultiert wirst. Wer drückt dich eigentlich?

Wenn du mit der Faust gegen eine Wand schlägst, tut es dir weh, obwohl sich die Wand nicht bewegt hat. Erkläre mit dem dritten newtonschen Gesetz, woher die Kraft kommt, die dir wehtut.

Eine Rakete steigt auf, weil sie Gase mit hoher Geschwindigkeit nach unten ausstößt, wie in der Abbildung gezeigt.

Bestimme das Kraft-Gegenkraft-Paar und erkläre, warum die Rakete nach oben beschleunigt.

Ein Schüler behauptet: „Wenn zu jeder Kraft eine gleich große, entgegengesetzte Gegenkraft gehört, heben sich beide Kräfte auf und nichts könnte sich jemals bewegen." Erkläre, wo sein Fehler liegt, und begründe dabei, an welchem Körper jede Kraft angreift. Denke an eine gehende Person.

Zwei Eisläuferinnen stehen sich in Ruhe gegenüber und stoßen sich mit den Händen voneinander ab, wie in der Abbildung gezeigt. Beide gleiten in entgegengesetzte Richtungen davon.

1. a) Gib Kraft und Gegenkraft an.
2. b) Eine Läuferin hat eine Masse von $40\ \text{kg}$, die andere von $80\ \text{kg}$. Welche bewegt sich schneller? Begründe deine Antwort, indem du das dritte und das zweite newtonsche Gesetz kombinierst.

Beim Abfeuern treibt eine Kanone die Kugel nach vorn und rollt selbst nach hinten zurück, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Erkläre den Rückstoß mit dem Wechselwirkungsgesetz.
2. b) Wenn die Kraft auf die Kugel und auf die Kanone gleich groß ist: Warum bewegt sich die Kanone viel langsamer zurück, als die Kugel hinausfliegt? Denke an ihre Massen.

Auf glattem Eis zu gehen ist fast unmöglich: Die Füße rutschen beim Versuch, vorwärtszukommen, nach hinten weg. Stelle einen Zusammenhang zwischen dem Problem und der Gegenkraft des Bodens her, die wir zum Gehen nutzen, und erkläre, warum wir mit Schuhen mit rauer Sohle auf einem trockenen Gehweg normal gehen können.

Ein Hubschrauber schwebt in der Luft, weil seine Rotorblätter die Luft nach unten drücken. Erkläre das Kraft-Gegenkraft-Paar und warum sich der Hubschrauber zum Aufsteigen nicht am Boden „abstützen" muss.

Der Tintenfisch bewegt sich fort, indem er einen Wasserstrahl durch einen Trichter ausstößt. Erkläre, wie er das Wechselwirkungsgesetz nutzt, um seinen Fressfeinden zu entkommen, und nenne ein anderes Tier oder ein Verkehrsmittel, das sich nach demselben Prinzip bewegt.

Ein Kind springt vom Bug eines kleinen Boots auf den Steg, wie in der Abbildung gezeigt. Beim Sprung treibt das Boot nach hinten weg und das Kind fällt fast ins Wasser.

1. a) Erkläre, warum sich das Boot bewegt.
2. b) Sage voraus, was passieren würde, wenn das Kind von einer großen Fähre statt von einem kleinen Boot springen würde. Begründe deine Antwort mit den Massen.

Beim Schlag auf den Ball mit dem Schläger spürt der Tennisspieler einen harten Stoß im Arm.

1. a) Gib Kraft und Gegenkraft beim Stoß zwischen Schläger und Ball an.
2. b) Erkläre, warum der viel leichtere Ball davonschießt, während der Arm kaum abgebremst wird.

In einer Fabel weigert sich ein Pferd, den Wagen zu ziehen, und argumentiert: „Wenn ich mit einer Kraft den Wagen nach vorn ziehe, sagt das Wechselwirkungsgesetz, dass der Wagen mit einer gleich großen Kraft nach hinten an mir zieht; also können wir uns nie bewegen." Erkläre dem Pferd in Ruhe, wo es sich irrt, indem du angibst, an welchem Körper jede Kraft angreift und welche anderen Kräfte (die des Bodens auf seine Hufe) die Bewegung möglich machen.

Wenn du springst, drückst du die Erde mit einer Kraft von $600\ \text{N}$ nach unten und die Erde drückt dich mit $600\ \text{N}$ nach oben, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Berechne deine Anfangsbeschleunigung, wenn deine Masse $60\ \text{kg}$ beträgt (vereinfachte Rechnung, ohne die Gewichtskraft abzuziehen).
2. b) Die Masse der Erde beträgt etwa $6\cdot10^{24}\ \text{kg}$. Berechne die Beschleunigung, die du der Erde erteilst.
3. c) Erkläre, warum niemand bemerkt, dass sich die Erde bewegt, wenn wir springen.

Ein Kind steht in einem Eisenbahnwaggon und drückt mit aller Kraft gegen die hintere Wand: Der Waggon bewegt sich nicht. Es steigt aus auf den Bahnsteig, drückt von dort gegen dieselbe Wand und der Waggon beginnt langsam zu rollen.

1. a) Erkläre mit dem Wechselwirkungsgesetz, warum es den Waggon von innen nicht bewegen kann: Überlege, welche Kräfte zwischen dem Kind und dem Waggon wirken (auch an seinen Füßen).
2. b) Warum bewegt es ihn von außen? Welcher Körper erfährt jetzt die Gegenkraft?
3. c) Stelle den Zusammenhang zur Unmöglichkeit her, sich „am eigenen Schopf aus dem Sumpf zu ziehen".

Auf einem treibenden Floß, ohne Strömung und ohne Wind, montiert ein Schiffbrüchiger einen batteriebetriebenen Ventilator, der gegen das Segel des Bootes bläst, um vorwärtszukommen, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Kommt das Floß voran? Analysiere die Kräfte zwischen Ventilator, Luft und Segel mit dem Wechselwirkungsgesetz.
2. b) Und wenn er das Segel entfernte und den Ventilator nach hinten richtete, sodass er die Luft aus dem Boot hinausbläst? Vergleiche die beiden Fälle.

Ein Frosch mit $100\ \text{g}$ springt waagerecht von einem Seerosenblatt mit $200\ \text{g}$, das ruhig auf dem Wasser schwimmt, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Wenn der Frosch das Blatt mit einer Kraft von $2\ \text{N}$ wegdrückt, mit welcher Kraft drückt das Blatt den Frosch? Begründe mit dem Wechselwirkungsgesetz.
2. b) Rechne die Massen in $\text{kg}$ um und berechne die Anfangsbeschleunigung des Frosches und die des Blattes.
3. c) Erkläre, warum das Blatt weniger weit zurückweicht, als der Frosch springt.

Gib in jeder Szene die Kraft, die Gegenkraft und den Körper an, an dem jede angreift:

1. a) Ein Basketballspieler dribbelt den Ball auf den Boden.
2. b) Eine Schwimmerin stößt sich von der Beckenwand ab, um zu wenden.
3. c) Ein Standventilator auf Rollen bewegt sich beim Einschalten tendenziell nach hinten.

Alex ($50\ \text{kg}$) und Martina ($40\ \text{kg}$) stehen beide auf Tretrollern in Ruhe und stoßen sich gegenseitig ab. Während des Stoßes übt jeder auf den anderen für $0,5\ \text{s}$ eine mittlere Kraft von $100\ \text{N}$ aus.

1. a) Mit welcher Kraft drückt Martina Alex? Und Alex Martina?
2. b) Berechne die Beschleunigung beider während des Stoßes.
3. c) Berechne die Geschwindigkeit beider beim Auseinandergleiten und erkläre, warum der Leichtere schneller wegfährt.

Auf dem Wissenschaftsfest wollt ihr eine Flaschenrakete starten: eine Plastikflasche mit Wasser und Druckluft, die das Wasser nach unten ausstößt.

1. a) Erkläre mit dem Wechselwirkungsgesetz, was die Flasche nach oben antreibt.
2. b) Sage voraus, welchen Vorteil es hat, das Wasser mit höherer Geschwindigkeit auszustoßen, und begründe es mit den newtonschen Gesetzen.
3. c) Wenn das Wasser verbraucht ist, steigt die Rakete noch ein Stück und fällt dann: Erkläre diese beiden Abschnitte mit dem Trägheitsgesetz und der Gewichtskraft der Rakete.