Physik im anfahrenden Zug.


Dieses Applet stellt die Bewegung eines anfahrenden Zuges dar. Die auftretenden Kräfte werden auf Wunsch angezeigt. Man kann zwischen der Sichtweise des ruhenden Beobachters (Bildschirm) und der des mitbewegten Beobachters (im Zugwaggon) wählen.

Das Laden des Applets kann etwas dauern.
Nicht starten, bevor im Appletfeld das Rasternetz verschwunden ist und Gegenstände sichtbar sind.
Dies kann durchaus bis zu 5 Sekunden oder länger dauern.

Man kann die Animation mit "Pause" jederzeit unterbrechen und mit "Start" fortsetzen.
Mit "Schritt" wird die Animation 0.05 Sekunden weitergeschaltet oder zurückgesetzt.
"Reset" bewegt den Aufzug in die Startposition.

Es sind zwei Wiedergabegeschwindigkeiten möglich (10 oder 20 Bilder je Sekunde).
10 Bilder je Sekunde entspricht einer Zeitlupe.


Farben der Pfeile : Federkraft Zusatzkraft / Trägheitskraft Beschleunigung a
Wiedergabegeschwindigkeit : Bilder /s

Sichtweise :
Kraftpfeile zeichnen : Feder zeichnen:


Fragen / Aufgaben:

1.) Der Kinderwagen ist frei beweglich.

1.1.) Beschreibung aus Sicht des ruhenden Beobachters (Rudi).

Wähle zunächst "ruhender Beobachter (Rudi)" und lasse die Kraftpfeile nicht zeichnen.

  • Wie beschreibt Rudi die Bewegung des Kinderwagens im anfahrenden Zug?
  • Wie erklärt er das Verhalten des Kinderwagens?
  • Wirkt für Rudi eine Kraft auf den Kinderwagen?

Wenn dir die Bewegung zu schnell verläuft, dann schaue sie dir mit 10 Bildern je Sekunde (Auswahlfeld Wiedergabegeschwindigkeit) oder in den entsprechenden Zeitabschnitten mit "Schritt" an.

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1.2.) Beschreibung aus Sicht des bewegten Beobachters (Bernd).

Wähle nun"bewegter Beobachter (Bernd)" und lasse die Kraftpfeile zeichnen.

  • Wie beschreibt Bernd die Bewegung des Kinderwagens?
  • Wie erklärt Bernd, dass der Kinderwagen plötzlich auf ihn zu fährt?
  • Kann er angeben, wer oder was den Kinderwagen in Bewegung versetzt?

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Zwei Beobachter - zwei Sichtweisen:

Für den ruhenden Beobachter (Rudi) bewegt sich der Kinderwagen nicht. (Er bleibt stets "vor den Nase" von Rudi)
Auf ihn wirkt keine Kraft.

Für den bewegten Beobachter (Bernd) kommt der Kinderwagen plötzlich auf ihn zu.
Es muss also eine Kraft auf ihn gewirkt haben. Bernd kann aber nicht sagen wer oder was diese "Trägheitskraft" ausübt.


2.) Der Kinderwagen ist über eine Feder befestigt.

Bernd ist es leid, dass ihm der Kinderwagen immer wieder über die Füße fährt, wenn der Zug an einer Station anfährt!
Er beschließt daher den Kinderwagen mit Hilfe einer Schraubenfeder am linken Ende des Zugwaggons anzubinden.
Die Schraubenfeder wird damit auch zu einer Art Federkraftmesser, der uns anzeigt, welche Kräfte wirken.


2.1.) Beschreibung aus Sicht des bewegten Beobachters (Bernd).

Klicke auf "Feder zeichnen" um den Kinderwagen anzubinden. Bleibe zunächst bei der Betrachung durch den bewegten Beobachter (Bernd).

  • Warum bleibt der Kinderwagen nun in einer bestimmten Position stehen?
  • Wie begründet Bernd, dass der Kinderwagen gerade dort stehen bleibt?
  • Wie argumentiert er mit den auftretenden Kräften?

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2.2.) Beschreibung aus Sicht des ruhenden Beobachters (Rudi).

Kehre nun zur Sichtweise des ruhenden Beobachters (Rudi) zurück. Lasse die Kräfte anzeigen und den Wagen über die Feder angebunden.

  • Wie interpretiert Rudi die Verlängerung der Feder?
  • Welchen Zwecke erfüllt für ihn die Federkraft?
  • Wie groß muss diese Kraft sein, damit der Kinderwagen mit dem Zugwaggon "Schritt halten" kann?

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Zwei Beobachter - zwei Sichtweisen:

Für den bewegten Beobachter (Bernd) kommt der Kinderwagen nun endlich nicht mehr auf ihn zu!
Wenn die Feder so weit verlängert ist, dass die Federkraft (nach links) die Trägheitskraft (nach rechts) gerade aufhebt, dann kommt für Bernd der Kinderwagen zur Ruhe.

Für den ruhenden Beobachter (Rudi) ist der Kinderwagen nun nicht mehr die ganze Zeit "vor seiner Nase".
Er bleibt bei Anfahrvorgang zunächst noch hinter der linken Waggonbegrenzung zurück. Je mehr aber die Feder gespannt wird, um so mehr wird der Kinderwagen zusammen mit dem Zug nach links beschleunigt.
Ist die Kraft der Feder FFeder = m * a , dann wird der Kinderwagen genau so stark beschleunigt wie der Zugwaggon. (m - Masse der Kinderwagens, a - Anfahrbeschleunigung des Zuges)


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