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Zerlegung einer Kraft in zwei Komponenten
Grundwissen
- Zur eindeutigen Bestimmung des Kräfteparallelogramms müssen z.B. die resultierende Kraft und die Richtungen beider Teilkräfte bekannt sein.
- Weg 1: Zeichnen zweier Geraden, die zu den vorgegebenen Richtungen parallel sind und durch die Pfeilspitze des gegebenen Kraftvektors gehen.
- Weg 2: Parallelverschiebung eines Kraftvektors entlang des anderen Kraftvektors.
Grundwissen
- Zur eindeutigen Bestimmung des Kräfteparallelogramms müssen z.B. die resultierende Kraft und die Richtungen beider Teilkräfte bekannt sein.
- Weg 1: Zeichnen zweier Geraden, die zu den vorgegebenen Richtungen parallel sind und durch die Pfeilspitze des gegebenen Kraftvektors gehen.
- Weg 2: Parallelverschiebung eines Kraftvektors entlang des anderen Kraftvektors.
Seil und Rolle
Grundwissen
- An einer Rolle herrscht Kräftegleichgewicht, wenn die beiden Seilkräfte \(F\) links und rechts gleich groß sind und die den Seilkräften entgegengerichtete Kraft auf die Rollenachse \(2\cdot F\) beträgt.
- Durch den Einsatz einer losen Rolle halbiert sich die notwendige Zugkraft \(F\) und eine Last mit der Gewichtskraft \(F_g\) anzuheben, dafür muss du das Seil doppelt so lange ziehen.
- Du kannst lose und feste Rollen zu einem Flaschenzug kombinieren.
Grundwissen
- An einer Rolle herrscht Kräftegleichgewicht, wenn die beiden Seilkräfte \(F\) links und rechts gleich groß sind und die den Seilkräften entgegengerichtete Kraft auf die Rollenachse \(2\cdot F\) beträgt.
- Durch den Einsatz einer losen Rolle halbiert sich die notwendige Zugkraft \(F\) und eine Last mit der Gewichtskraft \(F_g\) anzuheben, dafür muss du das Seil doppelt so lange ziehen.
- Du kannst lose und feste Rollen zu einem Flaschenzug kombinieren.
Hebel
Grundwissen
- Als Hebel bezeichnet man einen starren Körper, der um eine feste Drehachse gedreht werden kann, z.B. eine Wippe.
- Ein zweiseitiger Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Produkte aus Kraft \(F\) und Hebelarm \(a\) auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: \(F_{\rm{l}}\cdot a_{\rm{l}}=F_{\rm{r}}\cdot a_{\rm{r}}\)
- Allgemein ist der Hebelarm \(a\) bestimmt durch den Abstand zwischen Drehachse \(\rm{D}\) und der Wirkungslinie der Kraft \(F\).
Grundwissen
- Als Hebel bezeichnet man einen starren Körper, der um eine feste Drehachse gedreht werden kann, z.B. eine Wippe.
- Ein zweiseitiger Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Produkte aus Kraft \(F\) und Hebelarm \(a\) auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: \(F_{\rm{l}}\cdot a_{\rm{l}}=F_{\rm{r}}\cdot a_{\rm{r}}\)
- Allgemein ist der Hebelarm \(a\) bestimmt durch den Abstand zwischen Drehachse \(\rm{D}\) und der Wirkungslinie der Kraft \(F\).
Energieformen
Grundwissen
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Grundbegriffe zu Periodischen Bewegungen und Schwingungen
Grundwissen
- Bei einer periodischen Bewegung hat ein Körper nach einer Periodendauer \(T\) wieder den gleichen Bewegungszustand.
- Für die Frequenz einer periodischen Bewegung gilt \(f=\frac{1}{T}\).
- Die Amplitude einer Schwingung ist der Betrag des Maximalwerts der Auslenkung aus der Ruhelage.
Grundwissen
- Bei einer periodischen Bewegung hat ein Körper nach einer Periodendauer \(T\) wieder den gleichen Bewegungszustand.
- Für die Frequenz einer periodischen Bewegung gilt \(f=\frac{1}{T}\).
- Die Amplitude einer Schwingung ist der Betrag des Maximalwerts der Auslenkung aus der Ruhelage.
Größen zur Beschreibung einer Welle
Grundwissen
- Zentrale Größen zur Beschreibung einer Welle sind ihre Amplitude \(\hat{y}\), ihre Schwingungsdauer \(T\), ihre Frequenz \(f\) und ihre Phasen- bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\).
- Dabei gilt der Zusammenhang \(\lambda = c \cdot T = \frac{c}{f}\)
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- Zentrale Größen zur Beschreibung einer Welle sind ihre Amplitude \(\hat{y}\), ihre Schwingungsdauer \(T\), ihre Frequenz \(f\) und ihre Phasen- bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\).
- Dabei gilt der Zusammenhang \(\lambda = c \cdot T = \frac{c}{f}\)
Schweredruck
Grundwissen
- Als Schweredruck bezeichnet man einen Druck, den ein Körper nur auf Grund der Gewichtskraft der über ihm liegenden Flüssigkeits- oder Gassäule erfährt.
- Für den Schweredruck gilt \({p = \rho \cdot g \cdot h}\).
- Der Schweredruck ist unabhängig von Form und Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule.
Grundwissen
- Als Schweredruck bezeichnet man einen Druck, den ein Körper nur auf Grund der Gewichtskraft der über ihm liegenden Flüssigkeits- oder Gassäule erfährt.
- Für den Schweredruck gilt \({p = \rho \cdot g \cdot h}\).
- Der Schweredruck ist unabhängig von Form und Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule.
Gesetz von HOOKE
Grundwissen
- Das HOOKEsche Gesetz beschreibt die Wirkung einer Kraft auf elastische Körper wie Federn.
- Die Federkonstante (Federhärte) wird mit \(D\) bezeichnet.
- Es gilt \(F=D\cdot \Delta x\) mit der Längenänderung der \(\Delta x\) der Feder.
Grundwissen
- Das HOOKEsche Gesetz beschreibt die Wirkung einer Kraft auf elastische Körper wie Federn.
- Die Federkonstante (Federhärte) wird mit \(D\) bezeichnet.
- Es gilt \(F=D\cdot \Delta x\) mit der Längenänderung der \(\Delta x\) der Feder.
Umrechnen von Einheiten der Kraft
Grundwissen
- Physikalische Größen bestehen immer aus Zahlenwert (Maßzahl) und Einheit.
- Verschiedene Einheiten der Kraft kannst du ineinander umrechnen.
Grundwissen
- Physikalische Größen bestehen immer aus Zahlenwert (Maßzahl) und Einheit.
- Verschiedene Einheiten der Kraft kannst du ineinander umrechnen.
Umstellen einer Gleichung
Grundwissen
- Formeln musst du manchmal umstellen, um die gesuchte Größe berechnen zu können.
- Hilfreich als Merkregel ist dabei das entsprechende Größendreieck.
Grundwissen
- Formeln musst du manchmal umstellen, um die gesuchte Größe berechnen zu können.
- Hilfreich als Merkregel ist dabei das entsprechende Größendreieck.
Impuls und Impulserhaltungssatz
Grundwissen
- Der Impuls ist das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers: \(\vec{p}=m\cdot\vec{v}\).
- In einem abgeschlossenen System ist der Impuls erhalten (Impulserhaltungssatz).
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- Der Impuls ist das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers: \(\vec{p}=m\cdot\vec{v}\).
- In einem abgeschlossenen System ist der Impuls erhalten (Impulserhaltungssatz).
Kraftwandler
Grundwissen
- Kraftwandler ändern den Angriffspunkt, die Richtung, den Betrag oder mehrere dieser Eigenschaften einer Kraft.
- typische Beispiele für Kraftwandler sind Seil, Hebel, Rolle und Flaschenzug.
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- Kraftwandler ändern den Angriffspunkt, die Richtung, den Betrag oder mehrere dieser Eigenschaften einer Kraft.
- typische Beispiele für Kraftwandler sind Seil, Hebel, Rolle und Flaschenzug.
Kräfteaddition
Grundwissen
- Wirken zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper, so kannst du diese durch eine einzige resultierende Kraft \(\vec{F_{\rm{r}}}\) ersetzen.
- Die Richtung und den Betrag (die Stärke) der resultierenden Kraft kannst du grafisch ermitteln.
- Zeigen die angreifenden Kräfte in unterschiedliche Richtungen, so addierst du diese mittels Kräfteparallelogramm oder Kräftedreieck.
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- Wirken zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper, so kannst du diese durch eine einzige resultierende Kraft \(\vec{F_{\rm{r}}}\) ersetzen.
- Die Richtung und den Betrag (die Stärke) der resultierenden Kraft kannst du grafisch ermitteln.
- Zeigen die angreifenden Kräfte in unterschiedliche Richtungen, so addierst du diese mittels Kräfteparallelogramm oder Kräftedreieck.
Flächen- und Volumenberechnung
Grundwissen
- Flächeneinheiten besitzen immer die Hochzahl \(2\), z.B. \(\rm{cm^2}\), Volumeneinheiten die Hochzahl \(3\), z.B. \(\rm{cm^3}\).
- Die Umrechnungszahl von einer Flächeneinheit zur benachbarten ist \(100\).
- Die Umrechnungszahl von einer Volumeneinheit zur benachbarten ist \(1000\).
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- Flächeneinheiten besitzen immer die Hochzahl \(2\), z.B. \(\rm{cm^2}\), Volumeneinheiten die Hochzahl \(3\), z.B. \(\rm{cm^3}\).
- Die Umrechnungszahl von einer Flächeneinheit zur benachbarten ist \(100\).
- Die Umrechnungszahl von einer Volumeneinheit zur benachbarten ist \(1000\).
Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit
Grundwissen
- Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist \(\bar v = \frac{{\Delta x}}{{\Delta t}} = \frac{{{x_{\rm{E}}} - {x_{\rm{A}}}}}{{{t_{\rm{E}}} - {t_{\rm{A}}}}}\), wobei "A" jeweils für Anfang und "E" für Ende steht.
- Wenn das Zeitintervall \(\Delta t\) möglichst klein, nahezu Null wird, erhält man die Momentangeschwindigkeit \(v = \frac{{\Delta x}}{{\Delta t}}\;\;{\rm{mit}}\;\;\Delta t \to 0\).
Grundwissen
- Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist \(\bar v = \frac{{\Delta x}}{{\Delta t}} = \frac{{{x_{\rm{E}}} - {x_{\rm{A}}}}}{{{t_{\rm{E}}} - {t_{\rm{A}}}}}\), wobei "A" jeweils für Anfang und "E" für Ende steht.
- Wenn das Zeitintervall \(\Delta t\) möglichst klein, nahezu Null wird, erhält man die Momentangeschwindigkeit \(v = \frac{{\Delta x}}{{\Delta t}}\;\;{\rm{mit}}\;\;\Delta t \to 0\).
Mittlere und Momentanbeschleunigung
Grundwissen
- 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: \(a= \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}}{\text{ mit }}\Delta t \to 0\).
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- 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: \(a= \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}}{\text{ mit }}\Delta t \to 0\).
Flaschenzug
Grundwissen
- Beim Flaschenzug spielt die Anzahl \(n\) der tragenden Seile eine wichtige Rolle.
- Je größer die Zahl der tragenden Seile ist, desto weniger Zugkraft \(F_Z\) musst du aufbringen, um eine Last \(F_L\) anzuheben. Dafür verlängert sich die notwendige Zugstrecke \(s_Z\), um eine Last die Strecke \(s_L\) anzuheben.
- Für die Zugkraft gilt \(F_Z=\frac{1}{n}\cdot F_L\), für die Zugstrecke hingegen \(s_Z=n\cdot s_L\).
Grundwissen
- Beim Flaschenzug spielt die Anzahl \(n\) der tragenden Seile eine wichtige Rolle.
- Je größer die Zahl der tragenden Seile ist, desto weniger Zugkraft \(F_Z\) musst du aufbringen, um eine Last \(F_L\) anzuheben. Dafür verlängert sich die notwendige Zugstrecke \(s_Z\), um eine Last die Strecke \(s_L\) anzuheben.
- Für die Zugkraft gilt \(F_Z=\frac{1}{n}\cdot F_L\), für die Zugstrecke hingegen \(s_Z=n\cdot s_L\).
Gleitreibung
Grundwissen
- Gleitreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird und der eine Körper relativ zu dem anderen Körper gleitet.
- Die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers.
- Für den Betrag der Gleitreibungskraft gilt \(F_{\rm{GR}}=\mu _{\rm{GR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Gleitreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird und der eine Körper relativ zu dem anderen Körper gleitet.
- Die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers.
- Für den Betrag der Gleitreibungskraft gilt \(F_{\rm{GR}}=\mu _{\rm{GR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskoeffizient ist.
Rollreibung
Grundwissen
- Rollreibung tritt auf, wenn z.B. ein Rad durch eine Kraft gegen eine Unterlage gedrückt wird und das Rad über die Unterlage rollt.
- Die Rollreibungskraft \(\vec F_{\rm{RR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Rades.
- Für den Betrag der Rollreibungskraft gilt \(F_{\rm{RR}}=\mu _{\rm{RR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{RR}}\) der Rollreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Rollreibung tritt auf, wenn z.B. ein Rad durch eine Kraft gegen eine Unterlage gedrückt wird und das Rad über die Unterlage rollt.
- Die Rollreibungskraft \(\vec F_{\rm{RR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Rades.
- Für den Betrag der Rollreibungskraft gilt \(F_{\rm{RR}}=\mu _{\rm{RR}}\cdot F_{\rm{N}}\), wobei \(\mu _{\rm{RR}}\) der Rollreibungskoeffizient ist.
Haftreibung
Grundwissen
- Haftreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird, der eine Körper relativ zu dem anderen Körper ruht und auf einen der Körper eine Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\) wirkt.
- Bis zur maximalen Haftreibungskraft \(F_{\rm{HR,max}}\) sind Zugkraft und Haftreibungskraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, sodass der Körper in Ruhe bleibt.
- Für die maximale Haftreibungskraft gilt \({F_{\rm{HR,max}}} = \mu _{\rm{HR}} \cdot {F_{\rm{N}}}\), wobei \(\mu _{\rm{HR}}\) der Haftreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
- Haftreibung tritt auf, wenn ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird, der eine Körper relativ zu dem anderen Körper ruht und auf einen der Körper eine Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\) wirkt.
- Bis zur maximalen Haftreibungskraft \(F_{\rm{HR,max}}\) sind Zugkraft und Haftreibungskraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, sodass der Körper in Ruhe bleibt.
- Für die maximale Haftreibungskraft gilt \({F_{\rm{HR,max}}} = \mu _{\rm{HR}} \cdot {F_{\rm{N}}}\), wobei \(\mu _{\rm{HR}}\) der Haftreibungskoeffizient ist.
Grundwissen
Viskose Reibung
Grundwissen
- Viskose Reibung beschreibt die Reibung eines Körpers bei der Bewegung in einer Flüssigkeit (oder einem Gas).
- Mathematisch kann die viskose Reibung gut für Kugeln beschrieben werden.
- Es gilt \(F_{\rm{VR}}=6\cdot \pi\cdot r\cdot \eta\cdot v\), wobei \(\eta\) die dynamische Viskosität der Flüssigkeit ist \(r\) der Radius der Kugel und \(v\) ihre Geschwindigkeit.
Grundwissen
- Viskose Reibung beschreibt die Reibung eines Körpers bei der Bewegung in einer Flüssigkeit (oder einem Gas).
- Mathematisch kann die viskose Reibung gut für Kugeln beschrieben werden.
- Es gilt \(F_{\rm{VR}}=6\cdot \pi\cdot r\cdot \eta\cdot v\), wobei \(\eta\) die dynamische Viskosität der Flüssigkeit ist \(r\) der Radius der Kugel und \(v\) ihre Geschwindigkeit.
Luftreibung
Grundwissen
- Die Luftreibung nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu.
- Die Querschnittsfläche \(A\) des Körpers und der von der Form abhängige Luftwiderstandsbeiwert \(c_{\rm{w}}\) beeinflussen die Luftreibung.
- Mathematisch gilt: \(F_{\rm{LR}}=\frac{1}{2}\cdot A\cdot c_{\rm{w}}\cdot \rho_{\rm{Luft}}\cdot v^2\)
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- Die Luftreibung nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu.
- Die Querschnittsfläche \(A\) des Körpers und der von der Form abhängige Luftwiderstandsbeiwert \(c_{\rm{w}}\) beeinflussen die Luftreibung.
- Mathematisch gilt: \(F_{\rm{LR}}=\frac{1}{2}\cdot A\cdot c_{\rm{w}}\cdot \rho_{\rm{Luft}}\cdot v^2\)
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