Reibung und Fortbewegung Warum ist das Gehen auf einer spiegelglatten Eisfläche so schwierig? Zwischen Fuß bzw. Schuh und Boden wirkt die Haftreibung. Sie ermöglicht, dass sich der Fuß vom Boden abstoßen kann. Die Reibungskraft macht die Fortbewegung erst möglich. Das Gehen und Laufen von Mensch und Tier benötigt Reibungskräfte, genauso wie das Fahren mit dem Auto. Ohne Reibungskraft zwischen den Autoreifen und der Straße könnten Autos weder anfahren noch bremsen oder sogar lenken. Auch Vögel und Fische können sich nicht ohne Reibungskraft fortbewegen. Ähnlich wie wir uns beim Gehen von der Erde abstoßen, stoßen Fische mit ihren Flossen das Wasser zurück, Vögel mit ihren Flügeln die Luft. Die Reibungskraft zwischen Flossen bzw. Flügeln und dem umgebenden Medium ist Voraussetzung dafür. Für die Aufrechterhaltung der Bewegung muss die Reibungskraft dagegen möglichst klein sein, damit die Lebewesen bei ihrer Bewegung möglichst wenig Energie aufwenden müssen. Experiment: Strömungswiderstand im Wasser 52.1 E2 Du brauchst: ein Brett, einen Trog mit Wasser Tauche das Brett senkrecht in das Wasser und bewege es mehrmals durch die Flüssigkeit. Verändere dabei die Lage des Bretts und die Geschwindigkeit der Bewegung. Protokolliere, wie sich bei den Versuchen die Kraft ändert, die du zum Bewegen des Bretts brauchst. Fasse die Ergebnisse zusammen. Du spürst einen höheren Widerstand, wenn das Brett normal zur Bewegungsrichtung liegt und du schneller durch das Wasser fährst. Man spricht von Strömungswiderstand, der auch eine Form von Reibung darstellt. Der Strömungswiderstand hängt von der Form des Körpers, von der Geschwindigkeit und von der Art der Flüssigkeit ab. Luftwiderstand Der Strömungswiderstand in Luft („Luftwiderstand“) ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Fährt etwa ein Auto mit doppelter Geschwindigkeit, so erhöht sich der Widerstand (und damit der Kraftstoffverbrauch) auf das Vierfache! Wie man durch Messungen bestätigen kann, hängt der Luftwiderstand eines Körpers FL von wenigen Größen ab: FL = 1 _ 2 cw·A· ρL·v2 (A = Querschnitt des Körpers quer zur Bewegungsrichtung; ρL = Dichte der Luft, v = Geschwindigkeit; cw = Strömungswiderstandkoeffizient, er berücksichtigt die Form und die Oberflächenstruktur des Körpers, z. B. für Kugel cw ≈ 0,25). Wenn du kein Brett, sondern einen Körper mit der Form eines Fisches durch das Wasser führst, dann verringert sich der Strömungswiderstand. Der Fischkörper hat die so genannte „Stromlinienform“, die möglichst wenig Wirbel im Wasser erzeugt. Durch strömungsgünstige Gestaltung von Autos, Schnellzügen und Flugzeugen lässt sich der Luftwiderstand und dadurch der Treibstoffverbrauch verringern (vgl. S. 82). In den 1950er Jahren stellte sich die Frage, wie sich Piloten aus immer höher fliegenden Jagdflugzeugen mittels Fallschirm retten könnten. Niemand hatte Erfahrung mit Fallschirmabsprüngen aus der Stratosphäre, wo der Luftdruck nur mehr einige Prozent des normalen Luftdrucks beträgt und Temperaturen um ‒50 oC herrschen. Nach einigen Vorversuchen mit Puppen („Dummys“) und gründlicher Vorbereitung unternahm der US-Pilot Joseph Kittinger (52.3) im August 1960 das Wagnis und stellte dabei einen Rekord auf, der erst im Oktober 2012 durch den österreichischen Extremsportler Felix Baumgartner gebrochen wurde (Projekt Redbull Stratos). Ein Heliumballon brachte Kittinger auf eine Höhe von 31 300 m über dem Boden. Beim anschließenden Sprung zurück zur Erde erreichte er eine Maximalgeschwindigkeit von 988 km/h. Bis zu einer Höhe von 5 500 m bremste ihn nur ein kleiner Fallschirm von 2 m Durchmesser, der verhindern sollte, dass Kittinger wie ein zu Boden segelnder Ahornsamen in schnelle Drehung versetzt würde. Diese Höhe erreichte er nach 4:38 Minuten. Daran zeigt sich, dass selbst die dünne Luft in der oberen Atmosphäre bei hohen Geschwindigkeiten einen beträchtlichen Luftwiderstand hervorruft: Ohne Luftwiderstand hätte er für diese Fallhöhe nur 72 s gebraucht und hätte fast 2 600 km/h erreicht. Die letzten 5 500 m legte er in gut 9 Minuten zurück, gebremst von einem Fallschirm mit 9 m Durchmesser. Fallschirmsprung aus der Stratosphäre 52.1 Das Gleiten von Schlittschuhen wird durch einen stets vorhandenen Wasserfilm von wenigen Mikrometern auf der Eisoberfläche ermöglicht. Normales Gehen oder sogar Laufen auf Eis ist nur sehr schwer möglich, weil man sich nicht abstoßen kann. Manche Schlittschuhe haben Zacken zum Anlaufen und zum Bremsen. 60 40 20 Zeit in s Geschwindigkeit in m/s 0 40 60 80 100 20 120 52.2 Geschwindigkeit v beim Fallschirmsprung in Abhängigkeit von der Fallzeit. Interpretiere die Grafik! 52.3 Joseph Kittinger bei seinem Weltrekordsprung 52 Mechanik I 3 Der Einfluss der Reibung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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