2011 Ph10bKA2

Straßenbahn Fahren

Peter fährt mit der Straßenbahn in die Schule.

• In welchen Situationen muss er sich festhalten, wann nicht?
• Erkläre dies mit den Begriffen Massenträgheit, Impuls und Kraft.

Peter sagt: "Beim Anfahren bin ich in den Sitz gedrückt worden!"

• Wie sieht eine außenstehende Person den Anfahrvorgang?
• Erkläre wiederum die unterschiedlichen Sichtweisen mit den physikalischen Begriffen.

Springbrunnen

Der Springbrunnen hat eine 1,5 Meter hohe Fontäne. Vereinfachend nimmt man an, dass das Wasser oben angekommen zur Seite rückt ohne das von unten nachkommende Wasser zu stören und dann wieder herunterfällt.

Bei dem anderen Brunnen fließt das Wasser horizontal aus dem Rohr und dann in ein Becken.

• Beschreibe von beiden Brunnen die Impulsänderung eines Wassertropfens mit der Zeit. Mache dazu Skizzen mit Impuls- und Kraftpfeilen, die du erläuterst. Bei der Fontäne ist nur die Vertikalbewegung von Interesse. (Also hoch und runter.)
• Wie verändert sich die Energieform eines Wassertropfens der Fontäne im Laufe der Bewegung?
• Welche Geschwindigkeit hat das Wasser der Fontäne beim Austritt aus dem Boden und welche beim Wiederaufreffen auf dem Boden?

Abstoßen mit dem Skateboard

Elisabeth schubst sich auf dem Skateboard aus dem Stand mit dem Fuß vom Boden ab und rollt bis zum Stillstand. Dabei wurde der Geschwindigkeitsverlauf gemessen und anschließend die Masse von ihr und dem Skateboard, woraus man einiges schließen kann. (Elisabeth: 45 kg, Skateboard: 5kg)

• Beschreibe, wo sich Impuls und Energie während des Bewegungsablaufes befinden.
• Ergänze die Diagramme von Ort, Beschleunigung, Impuls und Kraft. Beschrifte auch jeweils die y-Achse.
• Längs welcher Strecke hat sie beschleunigt und wie weit rollt sie insgesamt?
• Mit welcher Kraft hat sie sich weggedrückt und mit welcher Kraft wird sie gebremst?
• Wieviel Energie steckt unmittelbar nach dem Abstoßen in Elisabeth und wieviel in der Erde?

Windkraftanlage

Eine Windenergieanlage

Windkraft- oder besser Windenergieanlagen sollen in den nächsten Jahren einen Großteil der Energieversorgung der abgeschalteten Kernkraftwerke übernehmen. Seit Anfang der 90er Jahren verlief die Entwicklung rasant und mittlerweile sind sie zu einem deutschen Exportschlager geworden.

Bei einer größeren Anlage hat ein Rotorblatt eine Länge von 50 Metern und dreht sich bei Windgeschwindigkeiten zwischen 3 m/sec und 25 m/sec mit einer Umlaufdauer zwischen 16 und zwei Sekunden.

• Mit welcher Frequenz dreht sich der Rotor maximal?
• Wie groß ist die maximale Bahngeschwindigkeit an den Spitzen der Rotorblätter? (Auch in km/h)
• Welche Kraft wirkt wegen der Rotationsbewegung auf ein 1kg schweres Teilstück der Rotorblattspitze?
• Warum ist die Belastung des Rotorblattes am höchsten Punkt viel geringer als am niedrigsten?

Bei der Standortwahl spielt die mittlere Windgeschwindigkeit die entscheidende Rolle. Sie sollte mindestens 5 m/sec betragen. Mit der folgenden Überlegung kann man einsehen, warum dies so wichtig ist:

Die anströmende Luft wird von den Rotoren im Idealfall auf 1/3 ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit abgebremst.

• Begründe, warum bei einer Windgeschwindigkeit von 5 m/sec in einer Sekunde von der Anlage ungefähr 40000 m^3 Luft mit einer Masse von 40000 kg abgebremst werden.
• Wieviel Energie geht von der Luftmenge pro Sekunde auf die Anlage über?
• Wie verändert sich die übertragene Energiemenge, wenn der Wind doppelt so schnell weht?

Einige Angaben

• Masse der Erde: [math]6 \cdot 10^{24} kg[/math]
• Ortsfaktor / Erdbeschleunigung: [math]9,81 \frac{N}{kg} = 9,81 \frac{m}{{sec}^2}[/math]
• Dichte von Luft: [math]1,2 \frac{g}{l}[/math]