Mechanik
Bewegungen beschreiben: Weg, Zeit und Geschwindigkeit
Warum Bewegung immer relativ ist, wie man die gleichförmige Bewegung berechnet und was s-t- und v-t-Diagramme verraten.
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
Du sitzt im ICE und liest. Bewegst du dich? Gegenüber dem Sitz nicht, gegenüber dem Bahndamm mit , gegenüber der Sonne mit rund .
Alle drei Antworten sind richtig, und genau darin liegt die erste Einsicht der Kinematik: Bewegung ist keine Eigenschaft eines Körpers, sondern eine Aussage über zwei Körper. Ohne Angabe, worauf man sich bezieht, ist die Frage „bewegt es sich?" gar nicht beantwortbar. Aus dieser scheinbar spitzfindigen Feststellung wird in Klasse 12 die Relativitätstheorie; hier bildet sie die Grundlage für alles Weitere.
Das kannst du nach diesem Kapitel
Bewegung als Ortsveränderung gegenüber einem Bezugskörper definieren.
die Geschwindigkeit berechnen und Einheiten sicher umrechnen.
zwischen Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit unterscheiden.
die gleichförmige Bewegung mit beschreiben.
s-t- und v-t-Diagramme zeichnen und deuten.
aus Diagrammen Geschwindigkeit und Weg ablesen.
Was Bewegung bedeutet
Ein Körper bewegt sich, wenn er seinen Ort gegenüber einem Bezugskörper ändert.
Der Zusatz ist keine Formalie. Der lesende Fahrgast ruht gegenüber dem Waggon und bewegt sich gegenüber dem Bahndamm. Beides gilt gleichzeitig, weil zwei verschiedene Bezugskörper gemeint sind.
Deshalb gehört zu jeder Bewegungsangabe der Bezug. In der Schulphysik ist er meist die Erdoberfläche, und man sagt es dann nicht jedes Mal dazu; sobald es aber um Bewegungen im Fahrzeug geht, muss man ihn nennen.
Man unterscheidet außerdem nach der Bahnform:
- geradlinige Bewegung (Auto auf gerader Strecke)
- krummlinige Bewegung (Kurvenfahrt)
- Kreisbewegung (Karussell, Uhrzeiger)
und nach dem Ablauf:
- gleichförmig (Geschwindigkeit bleibt gleich)
- ungleichförmig (Geschwindigkeit ändert sich)
Dieses Kapitel behandelt die geradlinig gleichförmige Bewegung.
Beide Reihen sind im gleichen Zeitabstand aufgenommen. Am Tempo selbst siehst du nichts, was du siehst, sind die Abstände. Oben bleiben sie gleich, unten wachsen sie: Das ist der ganze Unterschied zwischen gleichförmig und .
Die Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit gibt an, welcher Weg in welcher Zeit zurückgelegt wird:
Einheit: (SI) oder im Alltag.
Umrechnung. Wegen und gilt
Also:
🔴 Merkhilfe gegen Richtungsfehler: ist die „größere" Einheit, die Zahl davor also kleiner. sind , nicht .
Größenordnungen zum Einordnen:
| Bewegung | ||
|---|---|---|
| Schnecke | 0,001 | 0,004 |
| Fußgänger | 1,4 | 5 |
| Radfahrer | 5 | 18 |
| Auto in der Stadt | 14 | 50 |
| ICE | 69 | 250 |
| Schall in Luft | 343 | 1235 |
| Licht |
Durchschnitt und Momentanwert
Für eine Autofahrt Erfurt-Jena ( in ) ergibt die Formel
Das ist die Durchschnittsgeschwindigkeit. Tatsächlich stand das Auto an Ampeln (dort ) und fuhr auf der Autobahn . Der Durchschnitt sagt nichts darüber, wie schnell man in einem bestimmten Augenblick war.
Die Momentangeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit zu einem Zeitpunkt; sie zeigt der Tacho an. Man bekommt sie, indem man den Zeitabschnitt sehr klein wählt.
🔴 Die Unterscheidung ist praktisch bedeutsam: Eine Radarkontrolle misst die Momentangeschwindigkeit, ein Abschnittskontrollsystem den Durchschnitt. Wer zwischendurch rast und dann bummelt, bleibt beim einen auffällig und beim anderen nicht.
Bei der gleichförmigen Bewegung sind beide gleich, denn dort ändert sich die Geschwindigkeit ja nicht.
Die gleichförmige Bewegung
Eine Bewegung heißt gleichförmig, wenn in gleichen Zeitabschnitten gleiche Wege zurückgelegt werden. Die Geschwindigkeit ist dann konstant.
Aus folgen durch Umstellen:
Beginnt die Messung nicht bei , kommt der Anfangsweg dazu:
Die beiden Diagramme
Das s-t-Diagramm (Weg über Zeit):
- Gleichförmige Bewegung ergibt eine Gerade.
- Ihre Steigung ist die Geschwindigkeit: steiler bedeutet schneller.
- Eine waagerechte Linie bedeutet Stillstand (der Weg ändert sich nicht).
- Eine fallende Gerade bedeutet Rückweg zum Startpunkt.
Das v-t-Diagramm (Geschwindigkeit über Zeit):
- Gleichförmige Bewegung ergibt eine waagerechte Linie.
- 🔴 Die Fläche unter dem Graphen ist der zurückgelegte Weg.
Der zweite Punkt ist wichtiger, als er aussieht. Bei konstanter Geschwindigkeit ist die Fläche ein Rechteck:
Das ist genau die Wegformel. Der Vorteil: Die Flächenregel gilt auch dann, wenn die Geschwindigkeit sich ändert, und genau davon lebt das nächste Kapitel.
Diagramme lesen zu können ist die eigentliche Kompetenz dieses Kapitels. Ein und dieselbe Bewegung sieht in beiden Diagrammen völlig verschieden aus:
| Vorgang | s-t-Diagramm | v-t-Diagramm |
|---|---|---|
| Stillstand | waagerecht | auf der Nulllinie |
| gleichförmig schnell | steile Gerade | hohe waagerechte Linie |
| gleichförmig langsam | flache Gerade | niedrige waagerechte Linie |
| Rückweg | fallende Gerade | Linie unterhalb der Achse |
🔴 Der häufigste Fehler ist, ein s-t-Diagramm wie ein Bild der Landschaft zu lesen. Eine steigende Gerade bedeutet nicht „bergauf", sondern gleichmäßige Bewegung vom Startpunkt weg.
Im Weg-Zeit-Diagramm ist die Steigung die Geschwindigkeit: je steiler, desto schneller. Merke dir besonders die grüne Linie, waagerecht heißt hier, dass sich der Weg nicht mehr ändert, der Körper also steht.
Im Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm bedeutet dieselbe waagerechte Linie das Gegenteil: gleichbleibendes Tempo. Und die getönte Fläche darunter ist der zurückgelegte Weg, denn 15 m/s mal 4 s ergibt genau 60 m.
Geschwindigkeiten berechnen und umrechnen
a) Ein Radfahrer legt in zurück. Wie groß ist seine Durchschnittsgeschwindigkeit in und in ?
b) Wie weit kommt er in bei dieser Geschwindigkeit?
c) Wie lange braucht er für ?
- 1
a) Erst die Einheiten passend machen. Für muss die Zeit in Stunden stehen:
- 2
Einsetzen:
- 3
In umrechnen (durch teilen):
Plausibilitätsprüfung: ist eine typische Radfahrgeschwindigkeit, und passt zur Tabelle.
- 4
b) Nach umstellen:
Die Einheit h kürzt sich weg, km bleibt übrig.
- 5
c) Nach umstellen:
In eine lesbare Form bringen: , also etwa .
🔴 Nicht „ Stunden" als „eine Stunde Minuten" lesen. Die Zeit ist nicht dezimal aufgebaut; der Nachkommateil muss mit multipliziert werden.
a) b) c) rund .
Ein s-t-Diagramm auswerten
Ein s-t-Diagramm zeigt für einen Wanderer: von bis eine Gerade von auf , von bis eine waagerechte Linie bei , von bis eine Gerade von auf .
a) Beschreibe die drei Abschnitte.
b) Berechne die Geschwindigkeit in jedem Abschnitt.
c) Berechne die Durchschnittsgeschwindigkeit der gesamten Wanderung.
d) Warum ist sie nicht der Mittelwert der drei Einzelgeschwindigkeiten?
- 1
a) Abschnitt 1 ( bis ): steigende Gerade, also gleichförmige Bewegung vom Start weg.
Abschnitt 2 ( bis ): waagerechte Linie. Der Weg ändert sich nicht, der Wanderer rastet.
Abschnitt 3 ( bis ): wieder steigende Gerade, aber flacher als Abschnitt 1, also langsamer.
- 2
b) Die Steigung ist die Geschwindigkeit.
Halt: Abschnitt 3 ist mit schneller als Abschnitt 1. Der Graph steigt dort auf kürzerer Zeitachse stärker; die scheinbar flachere Wirkung täuscht, wenn man die Achsenskalierung nicht beachtet. Genau darum rechnet man nach, statt zu schätzen.
- 3
c) Durchschnitt über die gesamte Wanderung:
- 4
d) Der Mittelwert der Einzelgeschwindigkeiten wäre
also nicht dasselbe.
Der Grund: Die Abschnitte dauern verschieden lang. Abschnitt 1 zählt mit zwei Stunden doppelt so stark wie die anderen. Ein einfacher Mittelwert behandelt sie aber gleich.
🔴 Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist immer , nie der Mittelwert von Geschwindigkeiten. Nur wenn alle Abschnitte gleich lang dauern, stimmen beide zufällig überein.
, , ; Durchschnitt , berechnet aus Gesamtweg durch Gesamtzeit.
Typischer Fehler
„Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist der Mittelwert der einzelnen Geschwindigkeiten."
Nur wenn alle Abschnitte gleich lange dauern. Sonst ist es falsch, und der Fehler kann erheblich sein.
Ein deutliches Beispiel: Jemand fährt mit und danach mit .
Der naive Mittelwert wäre .
Richtig gerechnet:
Statt kommen heraus. Der Unterschied ist gewaltig.
Warum: Auf dem langsamen Kilometer verbringt man neunmal so viel Zeit wie auf dem schnellen. Die langsame Phase prägt den Durchschnitt deshalb viel stärker. Ein einfacher Mittelwert gewichtet dagegen beide gleich.
Die immer richtige Regel:
Erst alle Wege addieren, dann alle Zeiten addieren, dann teilen. Nie Geschwindigkeiten mitteln.
Praktische Folge: Wer auf halber Strecke im Stau steht, holt den Zeitverlust auch mit hohem Tempo kaum auf. Genau das rechnet dieses Beispiel vor.
Übung 1
leichta) Rechne um: in und in .
b) Ein Zug fährt mit . Welche Strecke legt er in zurück?
c) Wie lange braucht Licht () für ?
Tipp anzeigen
b) .
Lösung anzeigen
a)
b)
c) Erst umrechnen: .
Licht braucht also eine Tausendstelsekunde für . Deshalb sind Verzögerungen bei Telefonaten innerhalb Europas nicht spürbar, bei Satellitenverbindungen dagegen schon.
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 in drei Teilaufgaben
a) zwei Geschwindigkeiten umrechnen, b) Zug mit für , gesucht der Weg, c) Licht mit für , gesucht die Zeit.
- 2
a) Zwischen den beiden Geschwindigkeitseinheiten wechseln
. Von nach wird also durch geteilt, in der Gegenrichtung multipliziert.
;
Zwischenergebnis
und
- 3
Die eine Formel und ihre beiden Umstellungen
Bei gleichförmiger Bewegung gilt , umgestellt und . Welche Form man braucht, entscheidet allein, welche Größe gesucht ist.
- 4
b) und c) Weg des Zuges, Laufzeit des Lichts
b) passt zur Geschwindigkeit in . c) passt zur Lichtgeschwindigkeit in .
;
Zwischenergebnis
;
- 5
Ergebnisse deuten: eine Tausendstelsekunde quer durch Deutschland
Licht braucht für nur eine Tausendstelsekunde. Deshalb sind Verzögerungen bei Telefonaten innerhalb Europas nicht spürbar, bei Satellitenverbindungen dagegen schon.
Übung 2
mittelEin Auto fährt auf der Landstraße mit und danach auf der Autobahn mit .
a) Wie lange dauert jede Teilstrecke?
b) Berechne die Durchschnittsgeschwindigkeit der Gesamtfahrt.
c) Vergleiche mit dem Mittelwert der beiden Geschwindigkeiten und erkläre den Unterschied.
Tipp anzeigen
b) Erst Gesamtweg und Gesamtzeit bestimmen.
Lösung anzeigen
a)
b)
c) Der Mittelwert wäre , also zu wenig.
Grund: Die schnelle Teilstrecke dauert länger ( gegen ) und prägt deshalb den Durchschnitt stärker. Der einfache Mittelwert gewichtet beide Abschnitte gleich, obwohl sie verschieden lange dauern.
Hier liegt der richtige Wert über dem Mittelwert, weil die schnellere Phase länger dauert. Im Gegenbeispiel aus dem Fehlerkasten war es umgekehrt. Nur liefert in beiden Fällen das Richtige.
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 zweiteiligen Fahrt
Gegeben: mit und danach mit . Gesucht: a) beide Teilzeiten, b) die Durchschnittsgeschwindigkeit, c) ein Vergleich mit dem einfachen Mittelwert.
- 2
b) Die Definition der Durchschnittsgeschwindigkeit
Es gilt : Gesamtweg durch Gesamtzeit, nicht der Mittelwert der Einzelgeschwindigkeiten.
- 3
a) und b) Teilzeiten und Durchschnittsgeschwindigkeit
Für jede Teilstrecke die Zeit über , dann beide Wege und beide Zeiten addieren und teilen.
; ;
Zwischenergebnis
- 4
c) Ergebnis deuten: warum der Mittelwert danebenliegt
Der Mittelwert wäre , also zu wenig. Grund: Die schnelle Teilstrecke dauert länger ( gegen ) und prägt den Durchschnitt deshalb stärker.
Übung 3
schwera) Erkläre, warum die Aussage „Der Fahrgast im ICE bewegt sich nicht" richtig und falsch sein kann.
b) In einem v-t-Diagramm ist die Geschwindigkeit von bis konstant , danach bis konstant . Bestimme den Gesamtweg.
c) Zeichne (beschreibe) das zugehörige s-t-Diagramm.
d) Ein Blitz schlägt entfernt ein. Nach welcher Zeit hörst du den Donner ()? Warum siehst du den Blitz praktisch sofort?
Tipp anzeigen
b) Die Fläche unter dem v-t-Graphen ist der Weg.
Lösung anzeigen
a) Weil die Aussage ohne Bezugskörper unvollständig ist.
- Gegenüber dem Waggon ruht er tatsächlich: Sein Abstand zum Sitz ändert sich nicht.
- Gegenüber dem Bahndamm bewegt er sich mit der Zuggeschwindigkeit.
- Gegenüber der Sonne kommt noch die Bahnbewegung der Erde hinzu.
Alle drei Aussagen sind gleichzeitig richtig, weil sie sich auf verschiedene Bezugskörper beziehen. Bewegung ist keine Eigenschaft, die ein Körper allein besitzt.
b) Der Weg ist die Fläche unter dem Graphen, hier zwei Rechtecke:
c) Das s-t-Diagramm besteht aus zwei Geraden mit einem Knick:
- Von bis steigt der Weg gleichmäßig von auf (steile Gerade, Steigung ).
- Von bis steigt er weiter von auf (flachere Gerade, Steigung ).
Wichtig: Der Graph fällt nicht und wird auch nicht waagerecht. Der Körper wird nur langsamer, bewegt sich aber weiter vorwärts. Die Sprungstelle liegt im v-t-Diagramm, im s-t-Diagramm ist es nur ein Knick.
d)
Den Blitz siehst du praktisch sofort, weil Licht mit nur
braucht, also rund 870000-mal kürzer. Diese Zeit kann kein Mensch wahrnehmen.
Daraus die bekannte Faustregel: Sekunden zwischen Blitz und Donner zählen und durch teilen ergibt die Entfernung in Kilometern. Hier: , was gut zu den passt.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht in vier sehr verschiedenen Teilaufgaben
a) verlangt eine Begründung ohne Zahlen. b) gibt zwei Abschnitte im v-t-Diagramm ( für , dann für ), gesucht ist der Gesamtweg. c) verlangt das zugehörige s-t-Diagramm. d) gibt und , gesucht ist die Zeit.
- 2
a) Warum die Aussage ohne Bezugskörper unvollständig ist
Gegenüber dem Waggon ruht der Fahrgast, sein Abstand zum Sitz ändert sich nicht. Gegenüber dem Bahndamm bewegt er sich mit der Zuggeschwindigkeit. Gegenüber der Sonne kommt die Bahnbewegung der Erde hinzu.
- 3
b) Der Weg als Fläche unter dem v-t-Graphen
Bei gleichförmiger Bewegung ist , und das ist genau die Fläche eines Rechtecks der Höhe und der Breite . Aus zwei Abschnitten werden zwei Rechtecke.
- 4
b) und c) Gesamtweg und die Gestalt des s-t-Diagramms
Zwei Rechtecke: und , zusammen .
;
Zwischenergebnis
- 5
d) Die Entfernung in Meter
Die Schallgeschwindigkeit ist in gegeben, deshalb muss die Entfernung in Metern stehen: .
Zwischenergebnis
- 6
d) Ergebnis deuten: die Drei-Sekunden-Regel
für den Donner. Der Blitz braucht dagegen nur , rund 870000-mal kürzer und für keinen Menschen wahrnehmbar.
Zusammenfassung
Bewegung ist die Ortsveränderung gegenüber einem Bezugskörper, und ohne diesen Bezug ist die Frage nach Bewegung gar nicht beantwortbar. Die Geschwindigkeit gibt an, welcher Weg in welcher Zeit zurückgelegt wird; zwischen und vermittelt der Faktor . Dabei ist streng zwischen dem Durchschnitt über eine Strecke und dem Momentanwert in einem Augenblick zu unterscheiden, und der Durchschnitt ist immer Gesamtweg durch Gesamtzeit, nie der Mittelwert von Geschwindigkeiten. Bei gleichförmiger Bewegung bleibt die Geschwindigkeit konstant, es gilt , und im s-t-Diagramm entsteht eine Gerade, deren Steigung die Geschwindigkeit ist. Im v-t-Diagramm wird daraus eine waagerechte Linie, unter der die Fläche den zurückgelegten Weg angibt.


