MINT lernen

Textaufgaben: Zentripetal- und Zentrifugalkraft

Zwei Sachaufgaben zu Richtung und Ursache der beiden Kräfte — der Hammerwurf und die Kurvenfahrt.

Zum NachschlagenZurück zur ErklärungFormeln und Rechenbeispiele noch einmal nachlesen.
Fortschritt
0 / 0 Aufgaben

Sachaufgaben

Die Aufgaben sind wie im Abitur aufgebaut: Sachtext, gegebenenfalls ein Material und drei Teilaufgaben. Die unterstrichenen Operatoren sagen dir, was genau verlangt ist — fahre mit der Maus darüber oder springe mit Tab darauf. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont. Öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.

1

Der Hammerwurf

AFB II

Beim Hammerwurf dreht die Werferin eine Metallkugel an einem Stahlseil mehrmals um sich herum und lässt das Seil dann los. Die Kugel fliegt anschließend geradlinig davon (Material M1).

M1Hammerwurf — drei Pfeile ohne Beschriftung
Werfer 2 3 1 Drehsinn

Der Hammer läuft auf der schwarzen Kreisbahn. Die drei Pfeile greifen alle am Hammer an.

  1. Ordne den drei Pfeilen aus M1 die Bezeichnungen \(\vec{v}\), \(\vec{F}_{ZP}\) und \(\vec{F}_{ZF}\) zu und begründe deine Zuordnung.
  2. Beschreibe, welche Kraft die Kugel auf der Kreisbahn hält und wodurch sie zustande kommt.
  3. Erkläre mithilfe der Trägheit, warum die Kugel nach dem Loslassen nicht radial nach außen wegfliegt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Ein Pfeil liegt tangential an der Kreisbahn, die beiden anderen liegen auf der Verbindungslinie zum Mittelpunkt — einer zeigt hin, einer weg.
Hinweis zu Aufgabe b)
Ohne Seil gäbe es keine Kreisbahn. Überlege, welches Bauteil die Kraft überträgt und in welche Richtung sie wirkt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Trägheit bedeutet: Der Körper behält seinen Bewegungszustand bei. Welchen Bewegungszustand hatte die Kugel im Moment des Loslassens?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Pfeil 1 (blau) = \(\vec{v}\): Er liegt tangential an der Kreisbahn und zeigt in Drehrichtung — so verläuft die Geschwindigkeit in jedem Bahnpunkt.

Pfeil 2 (rot) = \(\vec{F}_{ZP}\): Er zeigt zum Mittelpunkt, ist also nach innen gerichtet — das ist die Zentripetalkraft.

Pfeil 3 (grün) = \(\vec{F}_{ZF}\): Er liegt auf derselben Linie, zeigt aber nach außen — das ist die Zentrifugalkraft.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Auf der Kreisbahn gehalten wird die Kugel von der Zentripetalkraft: der bei einer Drehbewegung wirkenden, nach innen gerichteten Kraft, die dafür sorgt, dass sich ein Körper auf einer Kreisbahn bewegt.

Übertragen wird sie hier vom gespannten Stahlseil, an dessen anderem Ende die Werferin steht. Reißt das Seil oder wird es losgelassen, fällt die Zentripetalkraft weg — und damit die Kreisbahn.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Im Moment des Loslassens hat die Kugel eine Geschwindigkeit, die tangential zur Kreisbahn zeigt. Wegen ihrer Trägheit behält sie diesen Bewegungszustand bei, solange keine Kraft mehr auf sie einwirkt.

Sie fliegt deshalb geradlinig in Richtung des Pfeils 1 weiter — also tangential und nicht radial nach außen. Die Zentrifugalkraft ist keine Kraft, die die Kugel nach außen „schleudert“; sie ist die Folge genau dieser Trägheit.

2

„Es drückt mich nach außen“

AFB III

Ein Beifahrer sagt nach der Fahrt durch einen Kreisverkehr: „Die Fliehkraft hat mich nach außen gegen die Tür gedrückt — sie ist also die Kraft, die im Kreisverkehr wirkt.“

  1. Erkläre fachsprachlich, welche Kraft das Auto tatsächlich auf der Kreisbahn hält und in welche Richtung sie zeigt.
  2. Beurteile die Aussage des Beifahrers.
  3. Begründe mithilfe von \(\vec{F}_{ZP} = -\vec{F}_{ZF}\), warum man in Rechnungen trotzdem meistens nur ein einziges Symbol \(F_Z\) schreibt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Ohne eine nach innen gerichtete Kraft würde das Auto geradeaus weiterfahren. Frage dich, was zwischen Reifen und Fahrbahn passiert.
Hinweis zu Aufgabe b)
Trenne die Beobachtung des Beifahrers von seiner Deutung. Nur eine der beiden ist falsch.
Hinweis zu Aufgabe c)
Das Minuszeichen betrifft die Richtung. Was bleibt übrig, wenn man nur die Beträge betrachtet?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Auf der Kreisbahn gehalten wird das Auto von der Zentripetalkraft. Sie ist nach innen gerichtet, also zum Mittelpunkt des Kreisverkehrs hin.

Übertragen wird sie zwischen Reifen und Fahrbahn: Nur weil die Reifen seitlich Halt finden, kann das Auto überhaupt der Kurve folgen. Fehlt dieser Halt — etwa bei Glatteis —, fährt das Auto tangential geradeaus weiter.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Beobachtung stimmt: Der Beifahrer wird tatsächlich gegen die Tür gedrückt. Ursache ist seine Trägheit — er würde gern geradeaus weiterfahren, während das Auto nach innen gelenkt wird.

Die Deutung ist zu widerlegen: Die Fliehkraft ist nicht die Kraft, die das Auto auf der Kreisbahn hält. Genau umgekehrt — ohne die nach innen gerichtete Zentripetalkraft gäbe es gar keine Kreisbahn.

Korrekte Fassung: „Weil das Auto nach innen gelenkt wird und ich träge bin, werde ich gegen die Tür gedrückt. Auf der Kreisbahn gehalten wird das Auto von der Zentripetalkraft.“

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(\vec{F}_{ZP} = -\vec{F}_{ZF}\) ist eine Aussage über Vektoren: Die beiden Kräfte zeigen in entgegengesetzte Richtungen.

Für die Beträge folgt daraus \(\left|\vec{F}_{ZP}\right| = \left|\vec{F}_{ZF}\right|\) — die Zahlenwerte sind gleich groß. Wenn in einer Rechnung nur der Betrag gebraucht wird, genügt deshalb ein einziges Symbol: \(F_Z\).