Abb. 1 Das Stilfser Joch (Passo dello Stelvio) ist der höchste Gebirgspass Italiens. Die etwa 50 Kilometer lange Strecke hat 87 Kehren.
Es sind Ferien, und du bist unterwegs Richtung Italien. Auf deiner Reise erlebst du so einiges, was dich zum Nachdenken bringt ...
a)
Auf der Hinreise liegt ein riesiges Hochgebirge vor dir - die Alpen. Die Straße schlängelt sich den Berg hinauf. Du fragst dich, warum es sich die Menschen eigentlich so schwer machen. Warum nicht einfach geradeaus und hoch auf den Berg?
Erkläre, warum Serpentinen (schlangenförmige Straßen an einem Berghang) durchaus sinnvoll sind.
b)
In Italien besuchst du einen der schönsten Kletterorte - das Val di Mello.
Schon von weitem siehst du die Kletternden in den Seilen hängen. Als du deine Ausrüstung abholen möchtest, steht jemand neben dir und fragt die Kletterlehrerin: "Wozu braucht man eigentlich die Rollen? Würde nicht auch ein ganz normales Seil reichen?"
Erläutere den Nutzen von Rollen in einer Kletterausrüstung und nimm damit die Antwort der Kletterlehrerin vorweg.
c)
Am Strand beobachtest du zwei Kinder, die versuchen, einen größeren Stein auszugraben. Das eine Kind (Kind A) versucht von oben zu ziehen, während das andere (Kind B) mit einer Schaufel seitlich ansetzt und den Stein so zu bewegen versucht.
Gib an, welches Kind hier mit der erfolgsversprechenderen Methode arbeitet.
Serpentinen sind ein Beispiel für die Goldene Regel der Mechanik. Genauer gesagt handelt es sich hier um nichts anderes als um eine schiefe Ebene.
Fährt man mit einem Auto entlang der Serpentinen, dann legt man dabei zwar einen längeren Weg zurück, muss aber gleichzeitig auch weniger Kraft aufwenden. Würde man also einen direkteren Weg den Berg hinauf wählen, wäre der Weg zwar kürzer, es müsste aber auch deutlich mehr Kraft aufgewendet werden, um eine bestimmte Höhe zu erreichen.
Physikalisch gesehen wäre der schnellste Weg, das Auto einfach senkrecht nach oben auf den Berg zu heben. Dies wäre dann der Weg kürzeste Weg, aber mit maximaler Steigung. Dann müsste aber nach der Goldenen Regel auch eine sehr große Kraft am Auto angreifen, was in der Realität nicht umzusetzen ist.
b)
Ein ganz wichtiger Teil einer Kletterausrüstung sind verschiedene (lose und feste) Rollen. Diese bilden einen Flaschenzug, der als Kraftwandler fungiert.
Der Flaschenzug wird verwendet, um die kletternde Person zu sichern. Hierbei kommt die Goldene Regel der Mechanik zum Tragen: Um den Kletternden nach oben zu befördern, muss dank der Rollen nicht dessen gesamtes Körpergewicht vom Sichernden kompensiert werden, sondern nur ein Teil davon. Die aufzubringende Kraft ist also geringer. Gleichzeitig muss aber der SIchernde das Seil weiter ziehen als der Kletterende angehoben wird. Der Weg ist also länger.
c)
Die Methode von Kind B ist erfolgsversprechender, weil dieses Kind (vermutlich instinktiv) die Goldene Regel der Mechanik ausnutzt.
Durch seitliches Ansetzen der Schaufel wird der Weg, der zurückgelegt werden muss, um den Stein nur ein kleines Stück zu bewegen größer. Gleichzeitig jedoch muss weniger Kraft aufgewendet werden.
Kind A dagegen muss die volle Gewichtskraft des Steines (und die Reibungskraft des Steines mit dem Sand) mit der eigenen Hubkraft kompensieren.
