Antriebe im Vergleich
Auf der A1 bei Münster überholt dich ein Diesel-Bus, an der Bahnstrecke rauscht ein ICE vorbei und über dir zieht ein Flugzeug seine Bahn. Drei völlig verschiedene Antriebe, und doch bewegen alle drei etwas nach vorn. Wie schaffen sie das, und wo steckt jeweils die Kraft, die das Fahrzeug beschleunigt?
Drei Antriebe und ihre Energie
Jeder Antrieb wandelt Energie um: Er bekommt eine Energieform zugeführt und erzeugt daraus Bewegungsenergie.
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Verbrennungsmotor (Benzin- oder Dieselmotor): Er bekommt chemische Energie aus dem Kraftstoff. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt im Zylinder, das heiße Gas drückt den Kolben.
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Elektromotor: Er bekommt elektrische Energie aus Batterie oder Oberleitung. Ein Magnetfeld lässt eine Spule (den Rotor) rotieren.
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Düsentriebwerk: Es bekommt wie der Verbrennungsmotor chemische Energie aus dem Kraftstoff (Kerosin). Die heißen Gase strömen mit hoher Geschwindigkeit nach hinten aus.
Nenne für jeden der drei Antriebe die Energieform, die zugeführt wird: Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk.
Nenne für jeden der drei Antriebe die Energieform, die zugeführt wird: Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk.
Ordne zu, welcher Antrieb gemeint ist (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk): a) Kolben werden durch verbrennendes Benzin-Luft-Gemisch bewegt. b) Ein…
Ordne zu, welcher Antrieb gemeint ist (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk):
- a) Kolben werden durch verbrennendes Benzin-Luft-Gemisch bewegt.
- b) Ein Magnetfeld lässt eine Spule rotieren.
- c) Ausströmendes Gas erzeugt Schub.
Wo entsteht die Kraft?
Ein Fahrzeug wird nur beschleunigt, wenn eine Kraft von außen auf es wirkt. Der Motor allein reicht nicht: Er muss eine Wechselwirkung mit der Umgebung herstellen (Kraft und Gegenkraft).
Zug und Bus: Motor dreht die Räder. Das Rad drückt (durch Haftreibung) nach hinten gegen Schiene oder Straße. Nach dem Wechselwirkungsprinzip drückt der Untergrund mit gleich großer Kraft das Rad nach vorn. Ohne Reibungskraft zwischen Rad und Untergrund drehen die Räder durch, wie auf Glatteis.
Düsentriebwerk: Es schleudert Gas nach hinten. Das Gas wird dadurch beschleunigt, und es drückt mit der Gegenkraft das Triebwerk nach vorn. Diese Kraft heißt Schubkraft (Rückstoß). Das Flugzeug braucht dafür keinen Untergrund. Auch ein Propellerflugzeug nutzt das Prinzip: Der Propeller schaufelt Luft nach hinten.
| Antrieb | Wo entsteht die Kraft nach vorn? |
|---|---|
| Elektromotor im ICE | Rad gegen Schiene (Reibung) |
| Dieselmotor im Bus | Rad gegen Straße (Reibung) |
| Düsentriebwerk | Ausströmendes Gas (Rückstoß) |
Ein Düsentriebwerk saugt Luft an und stößt heiße Gase nach hinten aus. Welche Kraft bewegt das Flugzeug nach vorn? Nenne den Namen dieser Kraft und das zugrunde liegende…
Ein Düsentriebwerk saugt Luft an und stößt heiße Gase nach hinten aus. Welche Kraft bewegt das Flugzeug nach vorn? Nenne den Namen dieser Kraft und das zugrunde liegende Prinzip.
Ein Düsentriebwerk eines Flugzeugs erzeugt eine Schubkraft von $80.000\ \text{N}$. Das Flugzeug hat zwei Triebwerke. a) Berechne die gesamte Schubkraft. b) Erkläre,…
Ein Düsentriebwerk eines Flugzeugs erzeugt eine Schubkraft von $80.000\ \text{N}$. Das Flugzeug hat zwei Triebwerke.
- a) Berechne die gesamte Schubkraft.
- b) Erkläre, warum ein Propellerflugzeug und ein Düsenflugzeug beide das Wechselwirkungsprinzip nutzen.
Antriebe vergleichen
Ein Vergleich gelingt am besten mit festen Kriterien.
| Verbrennungsmotor | Elektromotor | Düsentriebwerk | |
|---|---|---|---|
| Energiequelle | Benzin, Diesel | Strom (Batterie, Oberleitung) | Kerosin |
| Bewegungsart | Hin und Her (Kolben), dann Drehung | Drehung | Gasstrahl |
| Einsatz | Pkw, Bus, Lkw | Straßenbahn, ICE, E-Auto, Fahrrad | Verkehrsflugzeug |
Elektromotor gegen Verbrennungsmotor:
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Der Elektromotor dreht sich direkt. Beim Verbrennungsmotor muss die Hin-und-Her-Bewegung der Kolben erst über die Kurbelwelle in eine Drehung umgewandelt werden.
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Der Elektromotor liefert schon beim Anfahren sofort hohe Kraft. Der Verbrennungsmotor läuft erst bei höherer Drehzahl gut und braucht ein Getriebe.
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Der Elektromotor ist leise und hat am Fahrzeug keine Abgase. Der Verbrennungsmotor ist laut und erzeugt Abgase.
Warum kein Düsentriebwerk am Fahrrad? Es verbraucht enorm viel Kraftstoff, der heiße Gasstrahl gefährdet Menschen hinter dem Rad, und es ist viel zu laut und zu schwer. Außerdem liefert es eine riesige Schubkraft, die für ein Fahrrad nicht steuerbar ist.
Eine Familie in Münster vergleicht ein Auto mit Benzinmotor und ein Elektroauto. a) Nenne zwei Unterschiede in der Funktionsweise der Antriebe. b) Nenne je einen Vorteil…
Eine Familie in Münster vergleicht ein Auto mit Benzinmotor und ein Elektroauto.
- a) Nenne zwei Unterschiede in der Funktionsweise der Antriebe.
- b) Nenne je einen Vorteil des Elektromotors beim Anfahren und bei der Geräuschentwicklung.
Vergleiche in einer Tabelle mit drei Spalten (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk) jeweils: Energiequelle, Art der Bewegung (Hin und Her, Drehung,…
Vergleiche in einer Tabelle mit drei Spalten (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Düsentriebwerk) jeweils: Energiequelle, Art der Bewegung (Hin und Her, Drehung, Gasstrahl), typisches Einsatzgebiet.
Ein Elektromotor kann beim Anfahren sofort hohe Kräfte liefern, ein Verbrennungsmotor braucht dafür ein Getriebe. a) Erkläre mithilfe der Funktionsweise beider Motoren,…
Ein Elektromotor kann beim Anfahren sofort hohe Kräfte liefern, ein Verbrennungsmotor braucht dafür ein Getriebe.
- a) Erkläre mithilfe der Funktionsweise beider Motoren, warum das so ist.
- b) Beurteile, warum ein Düsentriebwerk für ein Fahrrad ungeeignet wäre. Nenne zwei Gründe.
Schub und Widerstand im Gleichgewicht
Ein Flugzeug fliegt mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus. Dann gilt: Die Kräfte in Flugrichtung sind im Gleichgewicht. Die Schubkraft nach vorn ist genau so groß wie die Luftwiderstandskraft nach hinten.
Erhöht der Pilot den Schub, ist die Kraft nach vorn größer als der Widerstand, und das Flugzeug wird schneller. Der Luftwiderstand wächst mit der Geschwindigkeit (mehr Luft pro Sekunde muss weggeschoben werden). Bei einer höheren Geschwindigkeit sind Schub und Widerstand wieder gleich groß, und das Flugzeug fliegt konstant schneller.
Ein Flugzeug fliegt mit konstanter Geschwindigkeit in gleicher Höhe geradeaus. Die Triebwerke liefern $120\ \text{kN}$ Schub. a) Wie groß ist die Luftwiderstandskraft?…
Ein Flugzeug fliegt mit konstanter Geschwindigkeit in gleicher Höhe geradeaus. Die Triebwerke liefern $120\ \text{kN}$ Schub.
- a) Wie groß ist die Luftwiderstandskraft? Begründe.
- b) Was passiert, wenn der Schub auf $150\ \text{kN}$ erhöht wird und der Widerstand zunächst gleich bleibt?
- c) Erkläre, warum der Widerstand mit wachsender Geschwindigkeit zunimmt und sich wieder ein Gleichgewicht einstellt.
Die Lokführerin eines ICE, ein Busfahrer und eine Pilotin diskutieren, welcher Antrieb ihres Fahrzeugs (Elektromotor, Dieselmotor, Düsentriebwerk) welche Kraftwirkung…
Die Lokführerin eines ICE, ein Busfahrer und eine Pilotin diskutieren, welcher Antrieb ihres Fahrzeugs (Elektromotor, Dieselmotor, Düsentriebwerk) welche Kraftwirkung auf das Fahrzeug erzeugt.
- a) Beschreibe für jeden Antrieb, wo die Kraft entsteht, die das Fahrzeug nach vorn bringt (Schiene, Straße, Luftstrom).
- b) Erkläre, warum beim Zug und beim Bus die Reibungskraft zwischen Rad und Untergrund für den Antrieb nötig ist.
Zurück zum Anfang: Der Bus und der ICE werden durch die Reibung zwischen Rad und Untergrund nach vorn gedrückt, das Flugzeug durch den Rückstoß der Gase.