Mechanik
Die gleichförmige Kreisbewegung
Umlaufzeit, Drehzahl, Bahn- und Winkelgeschwindigkeit, und warum eine Kreisbewegung trotz konstanter Schnelligkeit beschleunigt ist.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Ein Karussell dreht sich gleichmäßig. Der Tacho eines Pferdchens würde eine unveränderliche Zahl anzeigen. Trotzdem sagt die Physik: Diese Bewegung ist .
Das klingt widersprüchlich und ist doch zwingend. Denn ist eine gerichtete Größe, und auf einer Kreisbahn ändert sich die Richtung ständig. Eine Richtungsänderung ist eine Änderung der Geschwindigkeit, und eine Änderung der Geschwindigkeit heißt Beschleunigung. Diese Einsicht ist der Schlüssel zu allem, was von Kurvenfahrten bis zu Planetenbahnen reicht.
Das kannst du nach diesem Kapitel
Umlaufzeit und Drehzahl definieren und umrechnen.
die Bahngeschwindigkeit berechnen.
die Winkelgeschwindigkeit als Größe charakterisieren.
den Zusammenhang begründen und anwenden.
erklären, warum die Kreisbewegung trotz konstanter Schnelligkeit ist.
Kreisbewegungen im Alltag beschreiben (Rad, Karussell, Erde, Zahnräder).
Was gleichförmige Kreisbewegung heißt
Ein Körper bewegt sich gleichförmig auf einer Kreisbahn, wenn er in gleichen Zeiten gleiche Bogenstücke zurücklegt. Der Betrag seiner bleibt also konstant, ihre Richtung ändert sich fortwährend.
Die Geschwindigkeit zeigt dabei in jedem Punkt tangential, also längs der Bahn. Genau deshalb fliegt ein Körper, dessen Halterung reißt, geradeaus tangential weiter und nicht nach außen weg. Schleuderfunken an einem Schleifstein zeigen das sichtbar.
Umlaufzeit und Drehzahl
Die Umlaufzeit ist die Zeit für einen vollständigen Umlauf. Einheit: Sekunde.
Die Drehzahl (auch ) gibt an, wie viele Umläufe je Zeiteinheit stattfinden:
Einheit: , in der Technik oft (Umdrehungen pro Minute, „U/min").
🔴 Umrechnung nicht vergessen: .
Die Bahngeschwindigkeit
Bei einem Umlauf legt der Körper den Kreisumfang zurück, und zwar in der Zeit :
Das ist nichts Neues, sondern die alte Formel , angewendet auf einen ganzen Umlauf.
🔴 Die Bahngeschwindigkeit hängt vom Radius ab. Auf einem Karussell ist außen deutlich schneller als innen, obwohl beide Plätze dieselbe Umlaufzeit haben. Wer außen sitzt, legt in derselben Zeit einen längeren Weg zurück.
Vier Größen an einem Bild. Der wichtigste Punkt steht unten: Der Geschwindigkeitspfeil liegt an der Bahn an (tangential), er zeigt niemals zum Mittelpunkt. v misst den Weg auf der Bahn, ω den überstrichenen Winkel.
Die Winkelgeschwindigkeit
Um vom Radius unabhängig zu werden, misst man nicht den Weg je Zeit, sondern den Winkel je Zeit. Das ist die Winkelgeschwindigkeit (griechisch „omega"):
Bei einem vollen Umlauf wird der Winkel (im Bogenmaß) in der Zeit durchlaufen:
Einheit: (gesprochen „Radiant pro Sekunde").
Der Zusammenhang beider Größen ergibt sich durch Vergleich:
Das ist die wichtigste Gleichung des Kapitels. In Worten: Alle Punkte eines starren Körpers haben dieselbe Winkelgeschwindigkeit, aber verschiedene Bahngeschwindigkeiten.
Beispiel Uhrzeiger: Jeder Punkt des Minutenzeigers braucht für einen Umlauf, hat also dasselbe . Die Spitze bewegt sich aber viel schneller als ein Punkt nahe der Achse.
Warum die Kreisbewegung beschleunigt ist
Jetzt zur Eingangsfrage. Die ist eine gerichtete Größe. Sie ändert sich also nicht nur, wenn ein Körper schneller oder langsamer wird, sondern auch, wenn er die Richtung wechselt.
Auf einer Kreisbahn ändert sich die Richtung in jedem Augenblick. Also ändert sich die Geschwindigkeit, also liegt eine vor, obwohl der Betrag konstant bleibt.
Diese Beschleunigung zeigt stets zum Mittelpunkt und heißt Radialbeschleunigung (oder Zentripetalbeschleunigung). Und weil zu jeder Beschleunigung nach Newton eine gehört, braucht jede Kreisbewegung eine zum Mittelpunkt gerichtete Kraft, die .
🔴 Woher diese Kraft im Einzelfall kommt, ist Sache der Situation: beim Auto die der Reifen, beim Karussell die Stange, beim Mond die , beim Elektron im Atom die elektrische Anziehung. Die Radialkraft ist keine neue Kraftart, sondern die Rolle, die eine vorhandene Kraft übernimmt.
Berechnet wird sie im nächsten Kapitel.
Alle vier Geschwindigkeitspfeile sind gleich lang und zeigen trotzdem in vier verschiedene Richtungen. Weil Betrag UND Richtung ist, liegt hier eine vor, und die zugehörige zeigt an jeder Stelle zum Mittelpunkt.
Anwendungen und Merkwerte
| Bewegung | Umlaufzeit |
|---|---|
| Sekundenzeiger | |
| Minutenzeiger | |
| Stundenzeiger | () |
| Erdrotation | |
| Erde um die Sonne | |
| Mond um die Erde |
Zahnräder und Riemenantriebe. Zwei kämmende Zahnräder haben am Berührpunkt dieselbe Bahngeschwindigkeit, aber verschiedene Winkelgeschwindigkeiten: Das kleinere dreht sich schneller. Beim Fahrrad nutzt man genau das, um und Drehzahl zu tauschen, wie bei jeder kraftumformenden Einrichtung.
Karussell: innen und außen
Ein Karussell dreht sich mit Umdrehungen pro Minute. Ein Kind sitzt bei , ein anderes bei .
a) Berechne Umlaufzeit und Winkelgeschwindigkeit.
b) Berechne beide Bahngeschwindigkeiten.
c) Warum ist für beide gleich, aber nicht?
- 1
a) Drehzahl in umrechnen:
Umlaufzeit:
Ein Umlauf dauert also zehn Sekunden, was für ein Karussell plausibel ist.
- 2
Winkelgeschwindigkeit:
- 3
b) Bahngeschwindigkeiten über :
Kontrolle über den Umfang: . Passt.
- 4
c) Gleiches : Beide Kinder sitzen auf demselben starren Karussell und brauchen deshalb für einen Umlauf dieselbe Zeit. Da nur von abhängt, ist die Winkelgeschwindigkeit gleich.
Verschiedenes : In derselben Zeit legt das äußere Kind einen längeren Weg zurück, nämlich den größeren Kreisumfang. Der Umfang wächst mit dem Radius, deshalb wächst auch .
Das Verhältnis entspricht genau dem Radienverhältnis:
Praktische Folge: Außen ist es aufregender, weil man schneller unterwegs ist und (wie das nächste Kapitel zeigt) eine größere spürt.
, für beide; , . Gleiche Winkelgeschwindigkeit, verschiedene Bahngeschwindigkeit.
Fahrrad und Zahnräder
Ein Fahrrad hat Räder mit . Es fährt mit .
a) Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit des Rades?
b) Wie viele Umdrehungen macht das Rad pro Minute?
c) Das Kettenblatt hat Zähne, das Ritzel . Wie oft dreht sich das Hinterrad je Kurbelumdrehung?
d) Wie oft muss man dann pro Minute treten?
- 1
a) umrechnen und nach auflösen:
- 2
b) Über die Umlaufzeit gehen:
Das Rad dreht sich also rund -mal pro Minute.
- 3
c) Zahnräder: Am Berührpunkt der Kette ist die Bahngeschwindigkeit gleich. Deshalb verhalten sich die Drehzahlen umgekehrt wie die Zähnezahlen:
Eine Kurbelumdrehung dreht das Hinterrad also -mal.
- 4
d) Trittfrequenz berechnen:
Rund Kurbelumdrehungen pro Minute. Das ist für geübte Radfahrer eher langsam (üblich sind bis ), passt aber zu einem schweren Gang bei gemächlichem Tempo.
Der Zusammenhang zur Goldenen Regel: Ein großes Kettenblatt und ein kleines Ritzel bedeuten wenige Kurbelumdrehungen, aber mehr am Pedal. Ein kleiner Gang dreht sich schneller und braucht weniger Kraft. Genau derselbe Tausch wie beim Hebel.
a) b) rund c) Radumdrehungen je Kurbelumdrehung d) etwa Tritte pro Minute.
Typischer Fehler
„Bei gleichbleibender auf der Kreisbahn ist die Bewegung nicht ."
Doch, und zwar dauernd. Der Fehler steckt im Wort „Geschwindigkeit".
Die Geschwindigkeit ist eine gerichtete Größe. Sie ist erst dann unverändert, wenn Betrag und Richtung gleich bleiben. Auf einer Kreisbahn bleibt zwar der Betrag konstant, die Richtung dreht sich aber in jedem Augenblick.
Eine sich ändernde Geschwindigkeit bedeutet nach der Definition eine Beschleunigung. Also ist jede Kreisbewegung beschleunigt, auch die gleichförmige.
Der Nachweis ist alltäglich: In der Kurve wird man zur Seite gedrückt, obwohl der Tacho eine konstante Zahl zeigt. Ohne Beschleunigung gäbe es keine und damit auch kein Gefühl. Ein Wasserglas auf dem Armaturenbrett schwappt in der Kurve über, ohne dass der Fahrer schneller oder langsamer wird.
Die richtige Sprachregelung:
- Der Betrag der Geschwindigkeit ist konstant (die „Schnelligkeit").
- Die Geschwindigkeit ist nicht konstant, weil ihre Richtung wechselt.
- Deshalb ist die Bewegung beschleunigt, und die Beschleunigung zeigt zum Mittelpunkt.
🔴 Und die Beschleunigung zeigt nicht nach außen. Was man in der Kurve nach außen spürt, ist die Trägheit des eigenen Körpers, der geradeaus weiterwill. Die tatsächlich wirkende Kraft (Gurt, Sitz, Reifen) zieht nach innen. Dazu mehr im nächsten Kapitel.
Übung 1
leichtEine Scheibe dreht sich mit Umdrehungen pro Minute. Ein Punkt liegt bei .
a) Berechne Drehzahl in und Umlaufzeit.
b) Berechne die Winkelgeschwindigkeit.
c) Berechne die Bahngeschwindigkeit.
Tipp anzeigen
a) Durch teilen.
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
Kontrolle über den Umfang: . Passt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht an der rotierenden Scheibe
Gegeben: Umdrehungen je Minute und . Gesucht: a) Drehzahl in und Umlaufzeit, b) die Winkelgeschwindigkeit, c) die Bahngeschwindigkeit.
- 2
a) Von Umdrehungen je Minute auf Umdrehungen je Sekunde
Eine Minute hat Sekunden, also wird durch geteilt: . Die Umlaufzeit ist der Kehrwert: .
;
Zwischenergebnis
,
- 3
Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit
Ein voller Umlauf entspricht dem Winkel , also ist . Und weil der Punkt dabei den Umfang zurücklegt, gilt .
- 4
b) und c) Winkel- und Bahngeschwindigkeit berechnen
Erst aus der Umlaufzeit, dann mit dem Radius.
;
Zwischenergebnis
,
- 5
Ergebnisse deuten: vier Größen, eine Drehung
Umdrehungen je Minute, je Sekunde, eine halbe Sekunde Umlaufzeit, Winkelgeschwindigkeit und am Radius , alles beschreibt dieselbe Bewegung.
Übung 2
mittelDie Erde hat am Äquator einen Radius von rund und dreht sich einmal in .
a) Berechne die Bahngeschwindigkeit eines Punktes am Äquator in .
b) Berechne die Winkelgeschwindigkeit.
c) Wie groß ist die Bahngeschwindigkeit in Erfurt (geografische Breite rund , Bahnradius etwa )?
d) Warum merken wir von dieser Bewegung nichts?
Tipp anzeigen
c) ist überall auf der Erde gleich.
Lösung anzeigen
a)
Ein Punkt am Äquator bewegt sich also mit über , schneller als ein Verkehrsflugzeug.
b)
c) ist für die ganze Erde gleich (starrer Körper), nur der Bahnradius ist kleiner:
Nach Norden hin nimmt die Bahngeschwindigkeit also ab, an den Polen ist sie null.
d) Aus zwei Gründen:
- Die Bewegung ist praktisch gleichförmig. Wir spüren keine , sondern nur Änderungen davon. Genau wie im gleichmäßig fahrenden Zug merkt man nichts, solange nicht gebremst oder gelenkt wird.
- Alles bewegt sich mit. Luft, Gebäude, Meere und wir selbst haben dieselbe Geschwindigkeit; es gibt keinen Bezugskörper in der Nähe, gegenüber dem eine Bewegung sichtbar würde.
Die zugehörige Radialbeschleunigung ist zudem winzig: rund am Äquator, also etwa ein Dreihundertstel von . Sie ist messbar (das Gewicht ist am Äquator geringfügig kleiner als am Pol), aber nicht spürbar.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei der Erddrehung
Gegeben: Äquatorradius rund , Umlaufzeit ; in c) der Bahnradius für Erfurt. Gesucht: Bahngeschwindigkeiten, die Winkelgeschwindigkeit und eine Erklärung.
- 2
Bahngeschwindigkeit als Umfang je Umlaufzeit
In einer Umlaufzeit wird der ganze Umfang zurückgelegt, also . Die Winkelgeschwindigkeit ist davon unabhängig: .
- 3
a) und c) Zwei Bahngeschwindigkeiten in Kilometern je Stunde
Umfang durch Umlaufzeit, einmal mit dem Äquatorradius, einmal mit dem Erfurter Bahnradius. Weil Kilometer und Stunden zueinander passen, kommt das Ergebnis direkt in heraus.
;
Zwischenergebnis
bzw.
- 4
b) Die Umlaufzeit in Sekunden
Die Winkelgeschwindigkeit wird in angegeben, deshalb muss in Sekunden stehen: .
Zwischenergebnis
- 5
b) Die Winkelgeschwindigkeit der Erde
Ein voller Winkel verteilt auf Sekunden.
Zwischenergebnis
- 6
d) Ergebnis deuten: warum wir von 1600 km/h nichts merken
Erstens ist die Bewegung praktisch gleichförmig, wir spüren keine Geschwindigkeit, sondern nur Änderungen davon, genau wie im gleichmäßig fahrenden Zug. Zweitens bewegt sich alles mit: Luft, Gebäude, Meere und wir selbst; es gibt keinen nahen Bezugskörper, gegenüber dem eine Bewegung sichtbar würde.
Übung 3
schwera) Begründe ausführlich, warum eine gleichförmige Kreisbewegung ist.
b) In welche Richtung zeigt die , in welche die Beschleunigung?
c) Zwei kämmende Zahnräder haben und Zähne. Das kleine dreht sich mit . Berechne die Drehzahl des großen und begründe.
d) Ein Schleifstein zerbricht bei hoher Drehzahl. In welche Richtung fliegen die Bruchstücke, und warum?
Tipp anzeigen
c) Am Berührpunkt ist die Bahngeschwindigkeit gleich.
Lösung anzeigen
a) Die Geschwindigkeit ist eine gerichtete Größe, sie hat Betrag und Richtung. Sie gilt nur dann als unverändert, wenn beides gleich bleibt.
Auf einer Kreisbahn bleibt der Betrag konstant, aber die Richtung dreht sich fortwährend: Nach einer Viertelumdrehung zeigt die Geschwindigkeit anders als vorher.
Eine Änderung der Geschwindigkeit ist nach der Definition
eine Beschleunigung. Da sich die Richtung in jedem Augenblick ändert, ist die Bewegung dauerhaft beschleunigt, obwohl der Tacho eine konstante Zahl zeigt.
b) Die Geschwindigkeit zeigt tangential zur Bahn, also in Bewegungsrichtung.
Die Beschleunigung zeigt zum Mittelpunkt (radial nach innen). Sie ändert nicht den Betrag der Geschwindigkeit, sondern nur ihre Richtung; deshalb steht sie senkrecht auf ihr.
c) Am Berührpunkt greifen die Zähne ineinander, dort ist die Bahngeschwindigkeit gleich:
Da die Zähnezahl proportional zum Umfang und damit zum Radius ist, gilt
Das große Rad dreht sich also dreimal langsamer.
Begründung anschaulich: Bei einer Umdrehung des kleinen Rades laufen Zähne durch den Eingriff. Das große Rad braucht dafür nur einer Umdrehung.
(Nebenbei: Was an Drehzahl verloren geht, wird an Drehmoment gewonnen. Auch das ist wieder die Goldene Regel.)
d) Die Bruchstücke fliegen tangential weg, also längs der Bahn in dem Punkt, an dem sie sich beim Bruch befanden. Nicht radial nach außen.
Grund: Solange der Stein zusammenhält, wird jedes Teilchen durch innere auf der Kreisbahn gehalten, es wirkt eine nach innen. Bricht der Stein, fällt diese Kraft schlagartig weg.
Ohne Kraft bewegt sich ein Körper geradlinig gleichförmig weiter (erstes newtonsches Gesetz, nächstes Kapitel). Er behält also genau die Geschwindigkeit, die er im Augenblick des Bruchs hatte, und die war tangential.
Praktische Folge: Deshalb steht man beim Schleifen niemals in der Ebene der Scheibe, sondern seitlich versetzt, und deshalb haben Trennschleifer eine Schutzhaube, die genau den tangentialen Bereich abdeckt. Dieselbe Beobachtung macht man an Schleiffunken und an Wassertropfen, die von einem sich drehenden Rad wegspritzen.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht, drei Begründungen und eine Rechnung
a) und b) fragen nach Begründung und Richtungen, c) gibt zwei Zahnräder mit und Zähnen und am kleinen Rad, d) fragt nach der Flugrichtung von Bruchstücken.
- 2
a) Warum eine gleichförmige Kreisbewegung beschleunigt ist
Die Geschwindigkeit ist eine gerichtete Größe. Sie hat Betrag und Richtung und gilt nur dann als unverändert, wenn beides gleich bleibt. Auf einer Kreisbahn bleibt der Betrag konstant, aber die Richtung dreht sich fortwährend.
- 3
b) Wohin Geschwindigkeit und Beschleunigung zeigen
Die Geschwindigkeit zeigt tangential zur Bahn, also in Bewegungsrichtung. Die Beschleunigung zeigt zum Mittelpunkt. Sie ändert nicht den Betrag der Geschwindigkeit, sondern nur ihre Richtung, und steht deshalb senkrecht auf ihr.
- 4
c) Die Bedingung am Berührpunkt zweier Zahnräder
Am Berührpunkt greifen die Zähne ineinander. Dort muss die Bahngeschwindigkeit beider Räder gleich sein, sonst würden die Zähne aneinander vorbeirutschen. Daraus folgt .
- 5
c) Die Drehzahl des großen Zahnrads
Weil die Zähnezahl zum Umfang und damit zum Radius proportional ist, gilt , die Drehzahlen verhalten sich umgekehrt wie die Zähnezahlen.
;
Zwischenergebnis
- 6
d) Ergebnis deuten: Bruchstücke fliegen tangential
Sie fliegen tangential weg, längs der Bahn in dem Punkt, an dem sie sich beim Bruch befanden, nicht radial nach außen. Solange der Stein zusammenhält, hält eine nach innen gerichtete Kraft jedes Teilchen auf der Kreisbahn; bricht er, fällt diese Kraft schlagartig weg.
Zusammenfassung
Bei einer gleichförmigen Kreisbewegung bleibt der Betrag der konstant, ihre Richtung ändert sich jedoch fortwährend und zeigt stets tangential zur Bahn. Beschrieben wird die Bewegung durch die Umlaufzeit und die Drehzahl, aus denen sich Bahngeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit ergeben; beide sind über verbunden. Alle Punkte eines starren Körpers haben dieselbe Winkelgeschwindigkeit, aber verschiedene Bahngeschwindigkeiten, während bei Zahnrädern am Berührpunkt genau umgekehrt die Bahngeschwindigkeit übereinstimmt. Weil Geschwindigkeit eine gerichtete Größe ist, bedeutet die ständige Richtungsänderung eine , die zum Mittelpunkt zeigt. Sie verlangt eine ebenfalls nach innen gerichtete , die keine neue Kraftart ist, sondern von , Seil oder übernommen wird.


