Gleichförmige Bewegung

Die einfachste Bewegung ist die mit konstanter Geschwindigkeit: die gleichförmige Bewegung, bei der in gleichen Zeiten gleiche Wege zurückgelegt werden. Der Versuch vermisst eine im Glasrohr aufsteigende Luftblase (herrlich langsam und gleichmäßig), zeichnet das Weg-Zeit-Diagramm und etabliert die Werkzeuge der ganzen Kinematik: Messtabelle, Diagramm, Steigung als Geschwindigkeit.

Alle Bewegungslehre beginnt hier: Das s-t-Diagramm und der Geschwindigkeitsbegriff als Steigung sind DAS Handwerkszeug für alles Folgende (beschleunigte Bewegung, freier Fall, Schwingungen). Wer einmal selbst erlebt hat, wie aus Messpunkten eine Gerade und aus der Geraden eine Geschwindigkeit wird, liest später jedes Bewegungsdiagramm fließend.

Die begriffliche Trennung von gleichförmiger und beschleunigter Bewegung leistete Galilei um 1600 und schuf damit die Sprache der Kinematik; das Blasenrohr ist ein klassisches Schulgerät, weil es Langsamkeit mit Gleichmäßigkeit verbindet.

Starte die Blase am unteren Rohrende und stoppe die Durchgangszeiten an fünf 10-cm-Marken. Zeichne das s-t-Diagramm, prüfe auf Gleichförmigkeit und bestimme v. Wiederhole mit steilerer Rohrneigung.

Warum sollte die Blase gleichförmig steigen? Der Auftrieb treibt sie an, der Strömungswiderstand des Wassers bremst, und der wächst mit dem Tempo. Nach kurzer Anlaufstrecke halten sich beide die Waage: Ab dann ist die Gesamtkraft null, und ein Körper ohne resultierende Kraft behält seine Geschwindigkeit (Trägheitsprinzip). Deshalb beginnt die Messstrecke erst ein Stück über dem Start.

Zwei gleichwertige Prüfungen: In der Tabelle müssen die Zeitabstände zwischen den Marken gleich sein; im Diagramm liegen die Punkte dann auf einer Geraden durch den ersten Messpunkt. Die Steigung $\Delta s / \Delta t$ ist die Geschwindigkeit, und sie sollte mit jedem Einzelquotienten übereinstimmen.

Blasenrohr in flacher Neigung (langsames Tempo für die Handmessung); Zwischenzeit-Stoppuhr. Die Nullmarke der Messstrecke liegt 10 cm über dem Rohrende (Anlaufstrecke).

Geneigtes Rohr mit Markierungen bei 0, 10, 20, 30, 40, 50 cm der Messstrecke; daneben das leere s-t-Diagramm.

Aufbau: Glasrohr (ca. 1 m) mit gefärbtem Wasser und einer Luftblase, an einem Stativ leicht geneigt befestigt; Markierungen alle 10 cm; Stoppuhr mit Zwischenzeitfunktion (oder mehrere Stopper).

Schritt 1: Rohr kippen, sodass die Blase startet; an der 0-Marke die Uhr starten.

Schritt 2: An jeder 10-cm-Marke Zwischenzeit nehmen, bis 50 cm.

Schritt 3: Lauf wiederholen (Kontrolle), Punkte ins Diagramm.

Schritt 4: Rohr steiler stellen, einen Lauf messen, zweite Gerade einzeichnen.

Bei steilerer Neigung passiert die Blase die Strecke merklich schneller; auch dort sind die Zeitabstände untereinander gleich.

Gleichförmigkeit bestätigt: Die Zeitabstände zwischen den Marken betragen durchweg rund $5\ \mathrm{s}$, alle Einzelquotienten liegen bei $2{,}0\ \mathrm{cm/s}$, und die Diagrammpunkte bilden eine Ursprungsgerade. Beide Prüfwege stimmen überein:

Die zweite Gerade (steilere Neigung) verläuft steiler: gleiche Bewegungsform, größere Geschwindigkeit. Damit ist auch die Lesekunst etabliert: Im s-t-Diagramm ist die Steigung die Geschwindigkeit, und Geradensteilheit vergleicht Tempi auf einen Blick, ohne jede Rechnung.

Die Blase steigt gleichförmig: gleiche Wege in gleichen Zeiten, Ursprungsgerade im Diagramm, $v = 2{,}0\ \mathrm{cm/s}$ (flache Neigung). Die Geschwindigkeit ist als Quotient und als Steigung dieselbe Zahl.

Die Handmessung an bewegten Marken hat zwei typische Schwächen: