4 Wie du mit Big Bang arbeitest Was haben Superheldinnen und Superhelden mit den Newtonschen Gesetzen zu tun? Gibt es Luft im Weltall? Wieso kann man auf einem Nagelbrett liegen, ohne dass es einen durchbohrt? Was hat elektrischer Strom mit fließendem Wasser gemeinsam? Wieviel Strom ist in einem Blitz? Die Fragen zu Beginn jedes Unterkapitels helfen dir, einen Einblick in das Folgende zu bekommen. Mit Hilfe dieser Fragen kannst du auch einschätzen, was du zu diesem Thema schon weißt. Grün markierte Aufgaben kennzeichnen Experimente. Die Antworten auf die Fragen findest du auf der Doppelseite. Mit L gekennzeichnete Fragen sind im Lösungsteil beantwortet. Die Aufgabe von Physikerinnen und Physikern ist es herauszufinden, wie alles in diesem Universum funktioniert, und zwar von alltäglichen Dingen bis hin zu Schwarzen Löchern im All. In diesem Buch geht es unter anderem um Bewegungen aller Art, um Kräfte, Strom und Magnetismus und es werden unter anderem folgende Fragen beantwortet: Auf einer Buchdoppelseite gibt es immer ein abgeschlossenes Thema, gewissermaßen eine kurze physikalische Geschichte. Hier geht es zum Beispiel um Kräfte, welche Arten es gibt und welche Auswirkungen Kräfte haben können. 38 Beispiele für Kräfte In Kapitel 12 hast du schon gehört, dass Kräfte zu Geschwindigkeitsänderungen führen. Sie können auch Verformungen hervorrufen, etwa wenn Objekte mit hoher Geschwindigkeit auf andere prallen und dann alles Mögliche anrichten (B 13.1). Um deine Kenntnisse zu vertiefen, sehen wir uns in diesem Kapitel Beispiele für Kräfte an, die in deinem Alltag eine große Rolle spielen, etwa die Gravitationskraft, die dich zu Boden zieht, Reibungskräfte, die du beim Radfahren oder Schwimmen überwinden musst, oder deine Muskelkraft, die die Bewegungen deines Körpers ermöglicht. Was misst eine Badezimmerwaage? Masse oder Gewicht? Das ist eine sehr schwere Frage, über die auch viele Erwachsene stolpern! Diskutiere mit einer Nachbarin oder deinem Nachbarn darüber! Du möchtest auf einem Obstmarkt am Mond 1 kg Äpfel kaufen. Entscheide, welche Waage richtig funktionieren würde: Badezimmerwaage oder Balkenwaage? B 13.3 Welche Waage misst richtig am Mond? Der Nordpol der Erde ist ja oben. Bedeutet das, dass den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf rinnt? Versuche zu argumentieren! B 13.4 Rinnt den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf? A 3 A 4 A 5 13.1 Gravitationsmonster Gewichtskraft und Gravitationskraft In diesem Abschnitt sehen wir uns die Gravitationskraft an, die deinen Alltag bestimmt. Ohne sie würdest du wie ein Astronaut durch die Gegend schweben. Es geht hier aber auch um den haarigen Unterschied zwischen Masse und Gewicht! Was versteht man unter der Masse eines Objekts? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Masse und dem 2. Newtonschen Gesetz? Lies nach in Kap. 12.1 (S. 22) und Kap. 12.5 (S. 30). In der Physiksammlung gibt es Federwaagen (B 13.2). Mit diesen kann man messen, wie schwer ein Objekt ist. Schau auf der Waage nach, in welcher Einheit sie misst. Und welchen Wert zeigt sie zum Beispiel an, wenn du eine Tafel Schokolade mit 100 g dranhängst? B 13.2 In welcher Einheit misst eine Federwaage? A 1 A 2 13 Newton und der Apfel 13 Zusatzmaterial 92388k B 13.1 Eine Patrone durchschlägt mit 200 m/s (720 km/h) einen Apfel. 39 13 Newton und der Apfel Wenn man im Alltag etwas prüfend hebt, dann sagt man, das Ding hat viel oder wenig Gewicht. Unter Gewicht versteht man also, wie stark etwas von der Erde angezogen und auf den Boden gedrückt wird. Das ist ziemlich physikalisch formuliert. Weil das Gewicht eine Kraft ist, spricht man in der Physik allerdings etwas exakter von der Gewichtskraft. Die Gewichtskraft gibt an, wie stark ein Objekt von der Erde angezogen wird. Sie wird, wie jede Kraft, in der Einheit Newton (N) angegeben. Damit wird Isaac Newton geehrt, dessen Gesetzte du in Kap. 12 kennen gelernt hast. Zum Beispiel kannst du an einer Federwaage die Gewichtskraft in Newton ablesen ( A2 ). Je stärker etwas von der Erde angezogen wird, desto stärker dehnt sich die Feder und desto mehr Newton werden angezeigt (B 13.5). Eine Tafel Schokolade mit einer Masse von 100 g wird von der Erde zum Beispiel mit der Kraft von 1 N angezogen und 1 kg Zucker mit der Kraft von 10 N. Und da sind wir jetzt wieder beim – zugegeben – nicht leicht zu durchblickenden Unterschied zwischen Masse und Gewicht. Im Alltag werden beide Ausdrücke in einen Topf geworfen, aber in der Physik ist das etwas anderes, und deshalb müssen wir uns das genauer ansehen. Am besten kann man das verstehen, wenn man das 2. Newtonsche Gesetz dazu nimmt und etwas anpasst (B 13.6). 1 kg 0,1 kg 0,5 kg 10 N 5 N 1 N B 13.5 Federwaagen mit verschiedenen Massen. Die weißen und roten Streifen entsprechen je 1 N. Rechts ist die Röhre aufgeschnitten, damit du die Feder im Inneren siehst. Federwaagen sind also Kraftmesser. B 13.6 Die Gewichtskraft gibt an, mit wie vielen Newton ein Objekt von der Erde angezogen wird. Sie kann mit dem 2. Newtonschen Gesetz ermittelt werden. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto schwerer ist es, seine Geschwindigkeit in irgendeiner Form zu ändern ( A 1 ). Die Masse wird in Kilogramm angegeben. Nun sagt das 2. Newtonsche Gesetz, dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Im speziellen Fall ist die Gewichtskraft gleich Masse mal Fallbeschleunigung (Kap. 12.3, S. 27). Wenn man also die Kilogramm mit dem Wert 10 multipliziert, dann bekommt man die Gewichtskraft in Newton. Machen wir eine Spritztour durchs Sonnensystem und sehen uns dabei den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft an. Eine Schokolade mit einer Masse von 100 g hat überall im Universum 100 g (B 13.7). Sie ist also überall gleich schwer anzuschubsen. Die Gewichtskraft hängt aber davon ab, wo sich die Masse gerade befindet. Auf der Erde wiegt die Schokolade 1 N, es schaut bei der Federwaage nur der unterste rote Teil der Skala raus. Am Mars wiegt sie bloß 1/3 N und am Mond gar nur 1/6 N – die Skala ist also fast nicht mehr zu sehen. Am Jupiter, dem fettesten Planeten in unserem Sonnensystem, wiegt die Schokolade 2,5 N und auf der Sonne sogar satte 27,4 N – natürlich würde sie auch sehr rasch schmelzen! Auf der Sonne ist die Schokolade daher 165-mal so schwer wie auf dem Mond! Caramba! Jupiter 2,5 N Sonne 27,4 N 100 g Schokolade Erdmond Mars Erde 1 N 1/3 N 1/6 N 100 g Schokolade 100 g Schokolade 100 g Schokolade 100 g Schokolade B 13.7 Die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade in Newton an verschiedenen Orten unseres Sonnensystems. Während die Masse mit 100 g überall gleich ist, ist die Gewichtskraft unterschiedlich groß, weil die Masse unterschiedlich stark angezogen wird. Beim Einstieg in das Großkapitel bekommst du erste Infos und es werden spannende Fragen aufgeworfen, die im Kapitel beantwortet werden. 38 Beispiele für Kräfte In Kapitel 12 hast du schon gehört, dass Kräfte zu Geschwindigkeitsänderungen führen. Sie können auch Verformungen hervorrufen, etwa wenn Objekte mit hoher Geschwindigkeit auf andere prallen und dann alles Mögliche anrichten (B 13.1). Um deine Kenntnisse zu vertiefen, sehen wir uns in diesem Kapitel Beispiele für Kräfte an, die in deinem Alltag eine große Rolle spielen, etwa die Gravitationskraft, die dich zu Boden zieht, Reibungskräfte, die du beim Radfahren oder Schwimmen überwinden musst, oder deine Muskelkraft, die die Bewegungen deines Körpers ermöglicht. Was misst eine Badezimmerwaage? Masse oder Gewicht? Das ist eine sehr schwere Frage, über die auch viele Erwachsene stolpern! Diskutiere mit einer Nachbarin oder deinem Nachbarn darüber! Du möchtest auf einem Obstmarkt am Mond 1 kg Äpfel kaufen. Entscheide, welche Waage richtig funktionieren würde: Badezimmerwaage oder Balkenwaage? B 13.3 Welche Waage misst richtig am Mond? Der Nordpol der Erde ist ja oben. Bedeutet das, dass den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf rinnt? Versuche zu argumentieren! B 13.4 Rinnt den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf? A 3 A 4 A 5 13.1 Gravitationsmonster Gewichtskraft und Gravitationskraft In diesem Abschnitt sehen wir uns die Gravitationskraft an, die deinen Alltag bestimmt. Ohne sie würdest du wie ein Astronaut durch die Gegend schweben. Es geht hier aber auch um den haarigen Unterschied zwischen Masse und Gewicht! Was versteht man unter der Masse eines Objekts? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Masse und dem 2. Newtonschen Gesetz? Lies nach in Kap. 12.1 (S. 22) und Kap. 12.5 (S. 30). In der Physiksammlung gibt es Federwaagen (B 13.2). Mit diesen kann man messen, wie schwer ein Objekt ist. Schau auf der Waage nach, in welcher Einheit sie misst. Und welchen Wert zeigt sie zum Beispiel an, wenn du eine Tafel Schokolade mit 100 g dranhängst? B 13.2 In welcher Einheit misst eine Federwaage? A 1 A 2 13 Newton und der Apfel 13 Zusatzmaterial 92388k B 13.1 Eine Patrone durchschlägt mit 200 m/s (720 km/h) einen Apfel. 13.2 Die Welt steht still! Reibungskraft Hier geht es um die Reibungskraft. Diese tritt zum Beispiel auf, wenn du eine Kiste über den Boden schiebst. Sie macht dir aber nicht nur das Leben schwer, sondern ist oft auch verdammt praktisch! Die Räder eines Skateboards stecken nicht einfach so auf den Achsen, dazwischen befinden sich Kugellager. Erkläre, wie diese funktionieren. Reibe deine Hände mehrere Male fest aneinander. Die Handflächen werden dabei ganz schön warm! Begründe, warum das so ist. Warum verwendet man beim Klettern Schuhe mit Gummisohle? Und warum reibt man sich die Hände mit einem weißen Pulver ein? Begründe. B 13 .17 Wozu dient das weiße Pulver, das man beim Klettern verwendet? Befestige eine Federwaage an einem Holzquader und probiere Folgendes aus: B 13.16 Kugellager im Skateboard A 6 A 7 A 8 A 9 B 13.18 Selbst wenn dir eine Oberfläche beim Darüberstreichen völlig glatt vorkommt, kann man bei starker Vergrößerung unter dem Mikroskop immer Berge und Täler erkennen. Wenn zwei Oberflächen einander berühren, etwa eine Kiste und der Boden, dann verzahnen sich diese kleinsten Unebenheiten, und das macht das Schieben einer Kiste schwer (B 13.19). Die Reibung oder genauer gesagt Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. B 13.19 Die Haftreibungskraft (a) ist größer als die Gleitreibungskraft (b). Bei deinen Versuchen ( A 9 a ) hast du wahrscheinlich folgendes bemerkt: In dem Moment, in dem das Objekt zu rutschen beginnt, sinkt die Anzeige auf der Federwaage ab. Warum? Wenn das Objekt ruht, greifen die Verzahnungen der Oberflächen tief ineinander (B 13.19 a). Dadurch entsteht die Haftreibungskraft. Wenn das Objekt rutscht, dann hebt es die oberen Unebenheiten etwas aus den unteren heraus und sie rumpeln mit weniger Kontakt aneinander vorbei (b). Dadurch entsteht die Gleitreibungskraft, die immer kleiner ist, als die Haftreibungskraft. Wenn die Unebenheiten der Oberflächen größer sind, etwa bei Filz oder Schleifpapier, greifen sie tiefer ineinander, und die Dinge sind dann schwerer gegeneinander zu verschieben ( A 9 b ). Wenn das Objekt mehr Masse hat, werden die Unebenheiten stärker ineinander gedrückt, und die Reibungskraft steigt (B 13.20 b und A 9 c ). Umgekehrt ist nasser Boden sehr rutschig, weil das Wasser einen dünnen Schmierfilm bildet und gewissermaßen die Gebirge der Ober- und Unterseite auf Abstand hält (B 13.20 c). Auch Schmieröl funktioniert so, etwa bei einer Fahrradkette. Haftreibung Gleitreibung Bewegung Gleitreibungskraft Haftreibungskraft a b Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MjU2NDQ5MQ==