Rückstoß und Wechselwirkungsprinzip
Im Physikraum bläst Jonas einen Luftballon auf und lässt ihn los. Der Ballon schießt zischend durch den Raum. Wovon stößt er sich ab, wenn doch nichts im Weg ist, was ihn schiebt? Und warum funktioniert das sogar im luftleeren Weltall?
Kraft und Gegenkraft
Du kennst Kräfte schon: Die Gewichtskraft $F_\text{G}$ zieht Körper nach unten, die Reibungskraft bremst sie. Jetzt kommt eine wichtige Beobachtung dazu: Kräfte treten nie allein auf, sondern immer paarweise.
Drückst du mit der Hand gegen eine Wand, spürst du den Druck an deiner Hand. Die Wand „drückt zurück“. Stehst du auf Rollschuhen und schiebst dich von der Wand ab, rollst du weg, obwohl du nur die Wand gedrückt hast.
Das letzte Merkmal ist entscheidend: Kraft und Gegenkraft greifen an verschiedenen Körpern an. Deshalb heben sie sich nicht gegenseitig auf. Du kannst sie nicht zu einer resultierenden Kraft addieren, denn jede wirkt auf einen anderen Körper.
Beim Wechselwirkungsprinzip gilt: Wenn Körper A auf Körper B eine Kraft ausübt, übt B auf A ebenfalls eine Kraft aus. a) Wie groß ist die Gegenkraft im Vergleich zur…
Beim Wechselwirkungsprinzip gilt: Wenn Körper A auf Körper B eine Kraft ausübt, übt B auf A ebenfalls eine Kraft aus.
- a) Wie groß ist die Gegenkraft im Vergleich zur Kraft, wie ist ihre Richtung?
- b) Auf welche Körper wirken Kraft und Gegenkraft: auf denselben oder auf verschiedene Körper?
Zwei Schüler stehen auf Rollbrettern einander gegenüber. Anna drückt Ben mit den Händen weg. Beide rollen auseinander. a) Vergleiche die Kräfte, die Anna auf Ben und Ben…
Zwei Schüler stehen auf Rollbrettern einander gegenüber. Anna drückt Ben mit den Händen weg. Beide rollen auseinander.
- a) Vergleiche die Kräfte, die Anna auf Ben und Ben auf Anna ausübt.
- b) Anna ist leichter als Ben. Begründe, wer sich vermutlich schneller bewegt, ohne dass die Kräfte verschieden sind.
- c) Ein Mitschüler sagt: „Ben übt keine Kraft aus, er wird ja nur geschoben.“ Widerlege das.
Der Rückstoß
Zurück zum Luftballon: Der Ballon drückt die Luft nach hinten aus der Öffnung. Dabei übt er eine Kraft auf die Luft aus. Nach dem Wechselwirkungsprinzip übt die Luft eine gleich große Kraft auf den Ballon aus, nach vorn. Diese Kraft treibt ihn an.
Dasselbe passiert bei der Wasserrakete: Das Wasser wird nach unten aus der Düse gedrückt, das Wasser drückt die Flasche nach oben. Der Rückstoß ist der Grund, warum eine Rakete fliegt.
Ein Luftballon wird aufgeblasen und dann losgelassen, ohne ihn zuzubinden. Er fliegt zischend durch das Zimmer. a) In welche Richtung strömt die Luft aus dem Ballon, in…
Ein Luftballon wird aufgeblasen und dann losgelassen, ohne ihn zuzubinden. Er fliegt zischend durch das Zimmer.
- a) In welche Richtung strömt die Luft aus dem Ballon, in welche Richtung bewegt sich der Ballon?
- b) Nenne das Prinzip, mit dem man diese Bewegung erklärt.
Eine Wasserrakete aus einer Plastikflasche steht auf dem Schulhof in Dortmund. Beim Start schießt Wasser mit hoher Geschwindigkeit nach unten aus der Düse. Welche Kraft…
Eine Wasserrakete aus einer Plastikflasche steht auf dem Schulhof in Dortmund. Beim Start schießt Wasser mit hoher Geschwindigkeit nach unten aus der Düse.
Welche Kraft treibt die Rakete nach oben an und woher kommt sie? Beschreibe in ein bis zwei Sätzen.
Lena steht in Köln auf Inlinern und stößt sich mit den Händen von einer Hallenwand ab. Sie rollt von der Wand weg. a) Erkläre die Bewegung mit dem…
Lena steht in Köln auf Inlinern und stößt sich mit den Händen von einer Hallenwand ab. Sie rollt von der Wand weg.
- a) Erkläre die Bewegung mit dem Wechselwirkungsprinzip. Nenne Kraft und Gegenkraft.
- b) Warum bewegt sich die Wand nicht sichtbar?
Raketen: Schub und resultierende Kraft
Eine Rakete stößt heiße Gase nach unten aus. Die Gase üben auf die Rakete die Schubkraft nach oben aus. Sie ist genauso groß wie die Kraft der Rakete auf die Gase.
Ob die Rakete abhebt, entscheidet der Vergleich mit der Gewichtskraft. Beide wirken auf dieselbe Rakete, also darfst du sie jetzt zur resultierenden Kraft zusammenfassen:
$F_\text{res} = F_\text{Schub} - F_\text{G}$ (nach oben positiv)
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$F_\text{Schub} > F_\text{G}$: Die Rakete steigt (wird nach oben schneller).
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$F_\text{Schub} = F_\text{G}$: kein Beschleunigen, sie steht oder bewegt sich gleichförmig.
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$F_\text{Schub} < F_\text{G}$: Die Rakete hebt nicht ab, sondern bleibt auf der Startrampe stehen (die Startrampe übt zusätzlich eine Stützkraft aus, daher ist $F_\text{res}$ dann nicht nach unten gerichtet). Fliegt sie schon, sinkt sie bzw. wird sie nach unten beschleunigt.
Während des Fluges verbrennt Treibstoff, die Masse und damit die Gewichtskraft der Rakete nehmen ab. Bleibt der Schub gleich, wird $F_\text{res}$ größer: Die Rakete wird immer stärker beschleunigt.
Eine Rakete stößt Verbrennungsgase mit einer Kraft von $40.000\ \text{N}$ nach unten aus. a) Wie groß ist die Kraft, die die Gase auf die Rakete ausüben, und wohin zeigt…
Eine Rakete stößt Verbrennungsgase mit einer Kraft von $40.000\ \text{N}$ nach unten aus.
- a) Wie groß ist die Kraft, die die Gase auf die Rakete ausüben, und wohin zeigt sie?
- b) Die Rakete hat ein Gewicht von $30.000\ \text{N}$. Berechne die resultierende Kraft auf die Rakete und sage, ob sie steigt, steht oder sinkt.
Ein Schüler behauptet: „Eine Rakete kann im Weltraum nicht fliegen, weil dort keine Luft ist, von der sie sich abstoßen kann.“ Beurteile die Aussage und begründe mit dem…
Ein Schüler behauptet: „Eine Rakete kann im Weltraum nicht fliegen, weil dort keine Luft ist, von der sie sich abstoßen kann.“
Beurteile die Aussage und begründe mit dem Wechselwirkungsprinzip.
Eine Rakete beschleunigt senkrecht nach oben. Ihr Triebwerk übt auf die ausgestoßenen Gase eine Kraft von $1,2\cdot10^6\ \text{N}$ aus. Das Gewicht der Rakete beträgt…
Eine Rakete beschleunigt senkrecht nach oben. Ihr Triebwerk übt auf die ausgestoßenen Gase eine Kraft von $1,2\cdot10^6\ \text{N}$ aus. Das Gewicht der Rakete beträgt $9,0\cdot10^5\ \text{N}$.
- a) Wie groß ist die Kraft der Gase auf die Rakete? Begründe.
- b) Berechne die resultierende Kraft auf die Rakete.
- c) Während des Flugs verbrennt Treibstoff, die Schubkraft bleibt gleich. Erkläre, wie sich die Beschleunigung ändert.
Warum bewegen sich die Körper unterschiedlich?
Anna (leicht) und Ben (schwer) stoßen sich voneinander ab. Die Kräfte sind gleich groß. Trotzdem rollt Anna schneller weg. Der Grund ist die Trägheit: Je mehr Masse ein Körper hat, desto weniger ändert sich seine Bewegung bei derselben Kraft.
Genauso beim Abstoßen von einer Wand: Die Wand (Gebäude, Erde) ist so schwer, dass ihre Bewegung nicht sichtbar ist. Lena rollt weg, die Halle bleibt stehen.
Im All wirft ein Astronaut einen Werkzeugkasten weg. Der Kasten erhält eine Kraft, der Astronaut die gleich große Gegenkraft. Er driftet in die andere Richtung. Wie stark, hängt ab von
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der Kraft (wie kräftig und wie lange er wirft),
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den Massen von Astronaut und Kasten (schwerer Astronaut, leichter Kasten: kleine Bewegung des Astronauten).
Bei der Rakete ist es genauso: Sie übt eine große Kraft auf die Gase aus, indem sie viel Gas mit hoher Geschwindigkeit ausstößt. Nach dem Wechselwirkungsprinzip ist dann auch die Gegenkraft auf die Rakete groß. Dasselbe Prinzip nutzen Düsentriebwerke und Raumfahrzeuge: Sie stoßen Gas nach hinten aus und erfahren eine Kraft nach vorn.
Ein Astronaut ($80\ \text{kg}$) schwebt bei einem Außeneinsatz frei im All neben seiner Raumstation. Er wirft einen Werkzeugkasten von der Station weg. a) Beschreibe,…
Ein Astronaut ($80\ \text{kg}$) schwebt bei einem Außeneinsatz frei im All neben seiner Raumstation. Er wirft einen Werkzeugkasten von der Station weg.
- a) Beschreibe, was mit dem Astronauten passiert, und begründe es.
- b) Wovon hängt es ab, wie stark sich der Astronaut bewegt? Nenne mindestens zwei Einflussgrößen.
- c) Erkläre, warum man dasselbe Prinzip bei Raketen nutzt.
Zurück zum Anfang: Der Ballon stößt Luft nach hinten aus, die Luft schiebt den Ballon nach vorn. Das klappt auch im Vakuum.
Auf einen Blick
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Wechselwirkungsprinzip: Kraft und Gegenkraft sind gleich groß, entgegengesetzt gerichtet und wirken auf verschiedene Körper.
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Weil sie an verschiedenen Körpern angreifen, heben sie sich nicht auf.
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Rückstoß: Wer Masse nach hinten ausstößt, erfährt eine Kraft nach vorn (Ballon, Wasserrakete, Rakete).
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Raketen brauchen keine Luft, sie stoßen sich von ihren eigenen Gasen ab.
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Rakete: $F_\text{res} = F_\text{Schub} - F_\text{G}$. Sie steigt, wenn der Schub größer ist als die Gewichtskraft.
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Bei gleicher Kraft bewegt sich der Körper mit der kleineren Masse stärker.