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Treibhauseffekt
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen natürlichem und vom Menschen gemachten Treibhauseffekt.
- Der natürliche Treibhauseffekt macht die Erde erst lebenswert.
- Der menschengemachte Treibhauseffekt durch Ausstoß von Treibhausgasen sorgt für eine weitere Erderwärmung mit vielen negativen Folgen.
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- Man unterscheidet zwischen natürlichem und vom Menschen gemachten Treibhauseffekt.
- Der natürliche Treibhauseffekt macht die Erde erst lebenswert.
- Der menschengemachte Treibhauseffekt durch Ausstoß von Treibhausgasen sorgt für eine weitere Erderwärmung mit vielen negativen Folgen.
Stehende Wellen - Entstehung
Grundwissen
- Stehende Wellen können bei Überlagerung von zwei Wellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude entstehen.
- Bei stehenden Wellen bilden sich Knoten (keine Auslenkung) und Bäuche (maximale Auslenkung im Vergleich zur Umgebung) aus.
- Der Abstand zwischen zwei Knoten bzw. Bäuchen beträgt \(\frac{\lambda}{2}\) der sich überlagernden Wellen.
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- Stehende Wellen können bei Überlagerung von zwei Wellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude entstehen.
- Bei stehenden Wellen bilden sich Knoten (keine Auslenkung) und Bäuche (maximale Auslenkung im Vergleich zur Umgebung) aus.
- Der Abstand zwischen zwei Knoten bzw. Bäuchen beträgt \(\frac{\lambda}{2}\) der sich überlagernden Wellen.
Wellenfunktion
Grundwissen
- Die Wellenfunktion beschreibt die Auslenkung eines von der Welle erfassten Teilchens in \(y\)-Richtung an einem beliebigen Ort \(x\) zu einem beliebigen Zeitpunkt \(t\).
- Die Wellenfunktion für eine in positive \(x\)-Richtung laufende Welle lautet \(y(x;t) = \hat y \cdot \sin \left( {2\,\pi \cdot \left( {\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }} \right)} \right)\)
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- Die Wellenfunktion beschreibt die Auslenkung eines von der Welle erfassten Teilchens in \(y\)-Richtung an einem beliebigen Ort \(x\) zu einem beliebigen Zeitpunkt \(t\).
- Die Wellenfunktion für eine in positive \(x\)-Richtung laufende Welle lautet \(y(x;t) = \hat y \cdot \sin \left( {2\,\pi \cdot \left( {\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }} \right)} \right)\)
Gesamtkraft mehrerer Kräfte
Grundwissen
- Wenn zwei Kräfte an einem Punkt angreifen, dann kann man zeichnerisch die sogenannte Gesamtkraft \(\vec F_{\rm{res}}\) bestimmen. Diese Gesamtkraft hat die gleiche Wirkung auf den Körper hat wie die beiden Einzelkräfte zusammen.
- Der zweite Kraftvektor wird so parallel verschoben, dass sein Fußpunkt an der Spitze des ersten Kraftvektors zu liegen kommt.
- Der Vektor der Gesamtkraft beginnt beim Fußpunkt des ersten Kraftvektors und endet an der Spitze des zweiten Kraftvektors.
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- Wenn zwei Kräfte an einem Punkt angreifen, dann kann man zeichnerisch die sogenannte Gesamtkraft \(\vec F_{\rm{res}}\) bestimmen. Diese Gesamtkraft hat die gleiche Wirkung auf den Körper hat wie die beiden Einzelkräfte zusammen.
- Der zweite Kraftvektor wird so parallel verschoben, dass sein Fußpunkt an der Spitze des ersten Kraftvektors zu liegen kommt.
- Der Vektor der Gesamtkraft beginnt beim Fußpunkt des ersten Kraftvektors und endet an der Spitze des zweiten Kraftvektors.
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.
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- 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.
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- 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 \(F\).
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- 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.
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- 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.
Klassische Röntgenaufnahmen
Grundwissen
- Röntgenstrahlen bzw. Röntgenbilder sind in der Medizin wichtige Diagnosewerkzeuge.
- Dabei wird ausgenutzt, dass unterschiedliches Gewebe und Knochen die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark absorbieren (schwächen).
- Moderne digitale Röntgengeräte senken die durch eine Röntgenaufnahme verursachte Strahlenbelastung stark.
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- Röntgenstrahlen bzw. Röntgenbilder sind in der Medizin wichtige Diagnosewerkzeuge.
- Dabei wird ausgenutzt, dass unterschiedliches Gewebe und Knochen die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark absorbieren (schwächen).
- Moderne digitale Röntgengeräte senken die durch eine Röntgenaufnahme verursachte Strahlenbelastung stark.
Wahrscheinlichkeitsverteilungen beim H-Atom
Grundwissen
- Die Wahrscheinlichkeitsverteilung kann mit verschiedenen Darstellungsformen visualisiert werden.
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- Die Wahrscheinlichkeitsverteilung kann mit verschiedenen Darstellungsformen visualisiert werden.
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.
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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 \(1000\).
Warum ist der Laser wichtig für uns?
Grundwissen
- Laser kommen in verschiedensten Lebensbereichen zum Einsatz: von der Medizin, über die Datenübertragung im Internet bis hin zur Messwertgewinnung für die Wettervorhersage.
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- Laser kommen in verschiedensten Lebensbereichen zum Einsatz: von der Medizin, über die Datenübertragung im Internet bis hin zur Messwertgewinnung für die Wettervorhersage.
Bestandteile eines Lasers
Grundwissen
- Laser habe drei zentrale Bestandteile: das Lasermedium, die Pumpe und den Resonator.
- Die Pumpe bringt Energie ins System und sorgt für eine Besetzungsinversion im Lasermedium.
- Der Resonator, eine Anordnung aus zwei parallelen Spiegeln, verstärkt den Laserstrahl und richtet ihn aus.
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- Laser habe drei zentrale Bestandteile: das Lasermedium, die Pumpe und den Resonator.
- Die Pumpe bringt Energie ins System und sorgt für eine Besetzungsinversion im Lasermedium.
- Der Resonator, eine Anordnung aus zwei parallelen Spiegeln, verstärkt den Laserstrahl und richtet ihn aus.
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: \(a= \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}}{\text{ mit }}\Delta t \to 0\).
Stimulierte (induzierte) Emission
Grundwissen
- Laser nutzen den Effekt der stimulierte (induzierten) Emission.
- Dabei stimuliert ein Photon ein passend angeregtes Atom dazu, ein Photon zu emittieren.
- Dieses Photon besitzt die gleiche Energie, die gleiche Schwingungsphase, die gleiche Bewegungsrichtung und die gleiche Polarisation wie das auslösende Photon.
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- Laser nutzen den Effekt der stimulierte (induzierten) Emission.
- Dabei stimuliert ein Photon ein passend angeregtes Atom dazu, ein Photon zu emittieren.
- Dieses Photon besitzt die gleiche Energie, die gleiche Schwingungsphase, die gleiche Bewegungsrichtung und die gleiche Polarisation wie das auslösende Photon.
Eigenschaften der Laserstrahlung
Grundwissen
- Laserlicht ist monofrequent und linear polarisiert.
- Laserlicht besitzt nur eine sehr geringe Divergenz, ein Laserbündel weitet sich also nur sehr wenig auf.
- Mit Laserlicht können hohe Leistungsdichten im Fokus erreicht werden.
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- Laserlicht ist monofrequent und linear polarisiert.
- Laserlicht besitzt nur eine sehr geringe Divergenz, ein Laserbündel weitet sich also nur sehr wenig auf.
- Mit Laserlicht können hohe Leistungsdichten im Fokus erreicht werden.
Lasermedien
Grundwissen
- In Lasermedien muss eine Besetzungsinversion erzeugt werden, dies ist bei Medien mit nur zwei Energiezuständen nicht möglich.
- Lasermedien besitzen daher mehr als zwei Energiezustände.
- Dabei ist ein angeregter Energiezustand, der nicht der höchste ist, metastabil, also langlebig. Eine Besetzungsinversion wird möglich.
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- In Lasermedien muss eine Besetzungsinversion erzeugt werden, dies ist bei Medien mit nur zwei Energiezuständen nicht möglich.
- Lasermedien besitzen daher mehr als zwei Energiezustände.
- Dabei ist ein angeregter Energiezustand, der nicht der höchste ist, metastabil, also langlebig. Eine Besetzungsinversion wird möglich.
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 \(s_Z=n\cdot s_L\).
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- 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.