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Grundwissen

Mittlere und Momentanbeschleunigung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die mittlere Beschleunigung ist definiert als Geschwindigkeitsänderung geteilt durch die dafür benötigte Zeit, kurz \(\overline{a} = \frac{v_e - v_a}{t_e - t_a}\)
  • Negative Beschleunigungen entstehen wenn die Änderung der Geschwindigkeit \(\Delta v\) negativ ist.
  • Für die Momentanbeschleunigung \(a\) wählt man ein möglichst kleines Zeitintervall: \(a= \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}}{\text{ mit }}\Delta t \to 0\).
Aufgaben Aufgaben

Die Beschleunigung wird in den Autoprospekten oder in Quartettspielen in folgender Form angegeben:

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Beschleunigungen von 0 auf 100 km/h von Porsche Carrera und Fiat 500

Mittlere Beschleunigung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 \(t\text{-}v\)-Diagramm einer beschleunigten Bewegung

In der Physik wird die Beschleunigung etwas kompakter und in Anlehnung an die Definition der Geschwindigkeit festgelegt:
\[ \text{mittlere Beschleunigung} = \frac{\text{Geschwindigkeitsänderung}}{\text{dafür benötigte Zeit}} \]
\[ \overline{a} = \frac{v_e - v_a}{t_e - t_a} \quad \Rightarrow \quad \left[ \overline{a} \right] = \frac{\left[ \Delta v \right]}{\left[ \Delta t \right]} = 1 \mathrm{\frac{\frac{m}{s}}{s}} = 1 \mathrm{\frac{m}{s^2}} \]
Hinweis: Nimmt die Geschwindigkeit im betrachteten Zeitraum ab, so wird \(\Delta v\) negativ und damit auch die mittlere Beschleunigung. Man spricht dann meist von negativer Beschleunigung oder Verzögerung.

Aufgaben
Aufgabe

Berechne mit Hilfe von Abb. 1 die mittlere Beschleunigung eines Fiat Punto und eines Porsche Carrera im Bereich zwischen 0 km/h und 100 km/h in der Einheit \(\rm{\frac{m}{s^2}}\).

Lösung

Umrechung der Geschwindigkeit \(100\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{h}}}\) in die Maßeinheit \(\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\):
\[100\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{h}}} = \frac{{100}}{{3{,}6}}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}} = 28\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\]
Berechnung der mittleren Beschleunigungen:
\[\bar a = \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}} \Rightarrow {\bar a_{{\rm{Porsche}}}} = \frac{{28\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}} - 0\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}}}{{3{,}9{\rm{s}}}} = 7{,}2\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}\]
\[{\bar a_{{\rm{Fiat}}}} = \frac{{28\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}} - 0\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}}}{{13{,}9{\rm{s}}}} = 2{,}0\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}\]

Beschreibe in Worten den Verlauf der Beschleunigung im \(t\text{-}v\)-Diagramm in Abb. 2.

Lösung

  • Zunächst nimmt die Geschwindigkeit zu, es liegt also eine beschleunigte Bewegung vor, bei der die Beschleunigung \(a\) positiv ist, also \(a > 0\) gilt.

  • Dann (im Bereich des höchsten Teils der Kurve) bleibt die Geschwindigkeit für einen kurzen Zeitraum konstant. Die Beschleunigung \(a=0\) und es liegt daher kurz eine gleichförmige Bewegung vor.

  • Im rechten Kurventeil ändert sich die Geschwindigkeit wieder und nimmt ab. Es liegt also eine beschleunigte Bewegung vor, wobei die Beschleunigung \(a\) negativ ist, also \(a < 0\) gilt.

Momentanbeschleunigung

Abb. 3 Graphische Veranschaulichung des Übergangs von mittlerer zur Momentanbeschleunigung

Die mittlere Beschleunigung gibt einen Durchschnittswert der Beschleunigung in einem gewissen Zeitintervall an. Will man die Momentanbeschleunigung zu einem Zeitpunkt t1 wissen, so geht man ganz ähnlich vor wie beim Übergang von der mittleren Geschwindigkeit zur Momentangeschwindigkeit:

Man legt um den fraglichen Zeitpunkt ein Zeitintervall und bestimmt die zugehörige Geschwindigkeitsänderung \(\Delta v\). Schließlich verkleinert man dieses Zeitintervall fortwährend, solange dies messtechnisch noch sinnvoll ist.

Die Momentanbeschleunigung \(a\) zum Zeitpunkt \(t_1\) ist die mit mittlere Beschleunigung in einem möglichst kleinen Zeitintervall \(\Delta t\), das um den Zeitpunkt \(t_1\) gelegt wird. Es gilt:\[a = \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}}\;\;{\rm{mit}}\;\;\Delta t \to 0\]

Aufgaben

Mittlere und Momentanbeschleunigung

Übungsaufgaben