Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Ausrichtung des Hubble-Weltraum-Teleskops Seit April 1990 umkreist das Hubble-Teleskop die Erde. Bei 13m Länge und 11 t Masse stellt sich die Frage, wie das Teleskop auf interessante Himmelsobjekte ge- richtet und bei Langzeitbelichtungen von lichtschwachen Objekten stabil gehalten werden kann. Zur Lagemessung dienen kräftefrei gelagerte Kreisel (engl. gy- roscopes ). Ihre Achsen behalten ihre Richtungen relativ zu den Fixsternen bei, ihre Lage relativ zum Teleskop wird durch Sensoren gemessen. Soll nun das Te- leskop auf ein anderes Objekt ausgerichtet werden oder muss eine Lagekorrektur erfolgen, dann setzen Elektromotoren Schwungräder (engl. reaction wheels ) mit unterschiedlichen Achsenrichtungen in Betrieb. Das Teleskop reagiert wie in Ex- periment 2 und dreht sich entgegengesetzt in die gewünschte Richtung. Der Ge- samtdrehimpuls bleibt Null. ? Antwort auf die Eingangsfrage Der Diskus war bereits in der Antike ein beliebtes Sportgerät. Die Platte des Diskus ist aus Holz oder Kunststoff und ist mit einem Metallring eingefasst, der den größten Teil der Gesamtmasse ausmacht. Die Masse beträgt beim Männerdiskus 2 kg , beim Frauendiskus 1 kg . Beim Diskuswurf muss der Athlet mit insgesamt 1½ Umdrehungen im Wurfkreis der Scheibe eine möglichst hohe Geschwindigkeit erteilen. Dabei werden Oberkör- per und Wurfarm nachgezogen und die Muskulatur wird für den Abwurf ange- spannt. In der Schlussphase wird – beim rechtshändigen Wurf – das linke Bein fest gegen den Boden gestemmt, so dass es nun zur Drehachse wird. Die Reakti- onskraft des Bodens führt zu einem zusätzlichen Drehmoment, so dass sich der Schwung des Werfers erhöht. Gleichzeitig wird auf möglichst langem Beschleuni- gungsweg der Diskus durch den Arm nach vorne geführt. Die Bewegungsenergie des Systems, das aus dem Diskuswerfer und der Scheibe besteht, wird durch das plötzliche Abbremsen des Werfers in die Energie „Diskus allein“ umgesetzt. Das gibt eine hohe kinetische Anfangsenergie. Während die Scheibe die haltende Hand verlässt, rollt sie an den Fingern ab und dreht sich während des Fluges mit etwa 8 Umdrehungen pro Sekunde ( 16.1 ). Der Abwurfwinkel beträgt bei Weltklasseathleten etwa 37° , die Abwurfgeschwin- digkeit gut 20–25m/s . Der Diskus wird mit einem Neigungswinkel geworfen, der etwas kleiner als der Abwurfwinkel ist. Diesen Neigungswinkel behält der Diskus wie ein Kreisel wäh- rend seines ganzen Fluges, der Drehimpuls bleibt erhalten: Die Diskusscheibe fliegt stabil. Mit flacher werdender Flugbahn, also noch vor dem Scheitelpunkt der Flug- bahn, trifft die Luft von unten auf die Scheibe und sorgt dadurch für eine aufwärts gerichtete Kraft – die Scheibe wird von einem Luftpolster getragen. Insgesamt fliegt der rotierende Diskus etwa 25 % weiter als ein nichtrotierender mit der glei- chen Anfangsgeschwindigkeit. ( 24.2 ) Die Weltrekorde liegen seit über 20 Jahren bei 74m für Männer und 77m für Frauen – die leichtere Scheibe ermöglicht dies. Eine ähnliche Stabilisierung der Wurfbahn durch rasche Drehung der Scheibe macht den Reiz des Frisbee-Werfens aus. Auch beim Steineplatteln oder Steinehüpfen wird die Stabilisierung durch Drehung genutzt. Flache Steine werden mit einem geringen Anstellwinkel möglichst schnell und flach über eine Wasserfläche geschleudert. Beim Wurf werden sie in rasche Drehung versetzt. Von der Wasseroberfläche prallen sie immer wieder ab. Das funktioniert so lange, als sie mit der Hinterkante am Wasser aufkommen und ohne zu kippen weiter springen. Der Weltrekord steht seit 2015 bei 88 Sprüngen! 24.1 Das Hubble Space Telescope im Orbit 0 10 20 30 40 50 60 70 Wurfweite in m x 0 10 20 Wurfhöhe in m z Diskus mit Spin Diskus ohne Spin 24.2 Die Flugbahn eines Diskus mit und ohne Drehimpuls (Spin). Die rotierende Diskus- scheibe fliegt weiter als eine nichtrotierende. 24.3 Die Statue „Der Diskuswerfer“ stammt vom griechischen Bildhauer M YRON aus der Mitte des 5. Jh. vor Chr. Der junge Athlet ist mitten im Drehschwung fest gehalten. 24 MECHANIK 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv