Antwort auf die Eingangsfrage Warum sind die Astronautinnen und Astronauten mit Seilen mit dem Satelliten verbunden? Könnten sie im Weltall verloren gehen? Im Film Gravity (2013) führen Astronautinnen und Astronauten Reparaturarbeiten am Weltraumteleskop Hubble durch (42.1). Sie erfahren, dass ein russischer Satellit zerstört wurde und die Trümmerteile im Orbit treiben. Die Trümmerteile schlagen kurz darauf ein, das Raumschiff wird zerstört. Der Funkkontakt zur Bodenstation reißt ab, die Astronautinnen und Astronauten werden vom Schiff weggeschleudert. Eine Astronautin kann sich mit den Schubdüsen ihres Düsenrucksacks retten, ein Astronaut entfernt sich und treibt in die Umlaufbahn der Erde. Der Film wurde unter Beratung hochrangiger wissenschaftlicher Institute gedreht, und die Fakten sind, von einigen Details abgesehen, korrekt dargestellt. Tatsächlich gibt es in der Umlaufbahn der Erde zahlreiche Trümmerteile, die mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s durch den Weltraum rasen und (als sogenannter Weltraumschrott) Satelliten und Weltraumstationen gefährden. Sie bewegen sich, genauso wie der Mond und die Meteoriten, ohne Antrieb um die Erde, sondern allein aufgrund der Trägheit. Allerdings ist es bisher noch nie passiert, dass ein Mensch nicht mehr zur Kapsel zurückkehren konnte. Bei Außenarbeiten müssen Astronautinnen und Astronauten angeschnallt bleiben. Nach dem Wechselwirkungsgesetz (siehe nächstes Kapitel) bewirkt auch die geringste Krafteinwirkung des Astronauten oder der Astronautin auf die Kapsel eine gleich große Gegenkraft, die von der Kapsel wegweist und dazu führt, dass sich der Astronaut oder die Astronautin von der Kapsel entfernt. Da es im Weltall keine Reibung gibt, die diese Bewegung stoppen könnte, wird er oder sie wohl unendlich lange durch das Weltall schweben. Es sei denn, er oder sie wird vom Schwerefeld eines anderen Körpers eingefangen. Wobei jedenfalls bald die Versorgung mit Atemluft zum Problem werden würde. Retten könnte sich der der Astronaut oder die Astronautin nur, wie im Film gezeigt, mit Schubdüsen. 42.1 Ausschnitt aus dem Film Gravity 1 E1 S3 Die Beschreibung der Bewegung der Erde war ein wesentlicher Schritt in der historischen Entwicklung der Physik. a) Beschreibe die Bewegung der Sonne im Laufe eines Tages. Betrachte den Nachthimmel, suche den Großen Wagen und beschreibe seine Bewegung über einen längeren Zeitraum. Erkläre deine Beobachtungen. b) Was würde Galilei zu deinen Erklärungen sagen? Würde er sie widerlegen oder bestätigen? Schreibe alle deine Beobachtungen und Erklärungen auf und verfasse einen fiktiven Dialog zwischen dir und Galilei. 2 W2 Die Auseinandersetzung Galileis mit der Kirche ist Thema zahlreicher historischer Arbeiten. Was waren die zentralen Diskussionspunkte? Recherchiere dazu im Internet und fasse deine Ergebnisse in einem Aufsatz zusammen oder halte ein Referat, zum Beispiel im Geschichtsunterricht. 3 S1 Bert Brecht schrieb das Theaterstück „Leben des Galilei“. Recherchiere Inhalt und Thematik. Interpretiere die Aussage des Theaterstücks und nimm dazu Stellung. 4 E2 E2 E4 Kräfte kann man messen. a) Denk dir eine Methode aus, wie du deine Muskelkraft mit Hilfe eines Expanders (Therabands) messen kannst, und erläutere, wie du vorgehst. b) Zeige mit Federwaagen, wie man Kräfte als Resultierende ihrer Komponenten darstellen kann. c) Erkläre am Beispiel des Therabands das Hooke’sche Gesetz. 5 W4 Isaac Newton war ein bedeutender Physiker. Erkläre seine Bedeutung für die Entwicklung der Physik. Beschreibe die Zeit, in der er lebte. Verfasse eine biografische Skizze. 6 W2 Informiere dich, wie vor mehr als 4 000 Jahren in Ägypten große Pyramiden aus Stein errichtet wurden. 7 W3 Schiefe Ebenen spielen auch heute eine wichtige Rolle, etwa bei Seilbahnen oder Bergstraßen. Erkläre anhand zweier Beispiele mittels Grafiken die technischen Grundlagen. 8 W4 Beschreibe den Nutzen von Federungen für Fahrzeuge. Bestimme die verschiedenen Arten von Federn in der Fahrzeugtechnik. Frage dazu in einer Autowerkstatt nach. Weiterführende Fragestellungen 1 Welche Aussage über ein Inertialsystem trifft zu? Kreuze die richtige Antwort an. a) Die Erde ist ein Inertialsystem. b) Das Sonnensystem ist ein Inertialsystem. c) In einem Inertialsystem gilt das Trägheitsgesetz. 2 Beschreibe eine Methode, mit der man die Bewegung der Erde um die Sonne beweisen kann. 3 Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem ersten und dem zweiten Newton’schen Gesetz. 4 Markiere die richtige Aussage: a) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Geschwindigkeit von 1 m/s. b) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Beschleunigung von 1 m/s2. c) Ein Körper mit 1 kg Masse wird durch 1 N mit 1 m/s2 beschleunigt. 5 Erkläre den Begriff „Gewicht“. Ermittle dein eigenes Gewicht. 6 Kräfte werden vektoriell addiert. Zeichne die Addition für a) Kräfte, die parallel und gleichgerichtet sind. b) Kräfte, die parallel und entgegengesetzt gerichtet sind. c) Kräfte, die einen beliebigen Winkel einschließen. 7 Zeichne in der Abb. 43.1 die wirkenden Kräfte ein. 8 Auf einen Körper wirken gleichzeitig Kräfte von 3 N und von 4 N ein. Die Kräfte schließen miteinander einen Winkel von 90° ein. Bestimme die gesamte wirkende Kraft und kreuze die richtige Antwort an. a) 3 N b) 5 N c) 4 N d) 7 N Teste dein Wissen 43.1 Wurfbahn eines Balls unter Vernachlässigung des Luftwiderstands. 1 Die Beschleunigung bei verschiedenen Autos kann stark variieren. a) Ein Auto (m = 900 kg) benötigt 11 s, um aus dem Stand auf 80 km/h zu kommen. Bestimme die durchschnittliche Beschleunigung und die durchschnittliche Kraft des Motors. b) Bestimme dieselben Werte für das folgende E-Auto: m = 2 000 kg, das E-Auto benötigt 6,1 s, um aus dem Stand auf 100 km/h zu kommen. 2 Bei Crashtests wird mit Dummys untersucht, welche Kraft bei einem Frontalzusammenstoß auf den Sicherheitsgurt wirkt. Dabei wird das Auto in 0,25 s aus einer Geschwindigkeit von 64 km/h zum Stillstand gebracht. Der Dummy hat eine Masse von 60 kg. a) Bestimme die Kraft, die auf den Gurt wirkt. b) Analysiere, ob eine Gefahr besteht, wenn man sich mit den Armen am Lenkrad abstützt statt einen Sicherheitsgurt zu verwenden. 3 An eine Schraubenfeder mit der Federkonstante k = 10 N/m wird ein Körper der Masse m = 60 g gehängt. a) Ermittle die Dehnung der Feder auf der Erde. b) Wie groß wäre die Dehnung auf dem Mond? Vergleiche. 4 Der mittlere Steigungswinkel der Bergisel-Schanze (43.2) beträgt rund 29°, die Höhendifferenz rund 50 m. Ermittle die Endgeschwindigkeit der Sportlerinnen und Sportler in der Anlaufspur. 43.2 Bergisel-Schanze in Innsbruck Rechenaufgaben 42 43 1 Die Newton’schen Gesetze Mechanik I Mechanik I Praxis und Vertiefung … wird die Einstiegsfrage ausführlich beantwortet. … sollen die weiterführenden Fragestellungen ein Angebot sein, sich mit einer Frage bzw. einem Thema genauer auseinanderzusetzen und einen Blick „über den Tellerrand hinaus“ bieten. … findest du „Teste dein Wissen“-Fragen, mit denen du die wichtigsten Erkenntnisse des Kapitels selbst überprüfen kannst. … kannst du mit Rechenaufgaben physikalische Fragen aus dem Alltag beantworten, um auch mit konkreten Zahlen argumentieren zu können. Am Ende jedes Kapitels findest du die Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Hier … Digitale Zusatzmaterialien 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/ Video aus der App-Medienliste aus. QuickMedia App Android iOS Beispielseite aus Sexl Physik 5 5 Online-Codes: Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu unserem digitalen Zusatzmaterial (z. B. Simulationen oder Lösungen) weitergeleitet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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