Trägheitsprinzip

Ansatz: Das Trägheitsprinzip nennt zwei Zustände, in denen sich ohne resultierende Kraft nichts ändert. Erster Zustand: Der Körper bleibt in Ruhe. Zweiter Zustand: Der Körper bewegt sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit geradeaus weiter, also mit unverändertem Betrag und unveränderter Richtung. Antwortsatz: Solange keine resultierende Kraft auf einen Körper wirkt, bleibt er in Ruhe oder er bewegt sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit geradeaus weiter.

Ansatz: Nach dem Schlag ist die resultierende Kraft null, nach dem Trägheitsprinzip bleibt die Geschwindigkeit deshalb konstant bei \( v = 8{,}0\ \mathrm{m/s} \). Für gleichbleibende Geschwindigkeit gilt \( s = v \cdot t \). Rechnung: \( s = 8{,}0\ \mathrm{m/s} \cdot 4{,}0\ \mathrm{s} = 32\ \mathrm{m} \). Ergebnis: 32 m. Antwortsatz: Der Puck legt in den ersten 4,0 s nach dem Schlag einen Weg von 32 m zurück.

Ansatz: Bus und Koffer getrennt betrachten. Auf den Bus wirkt beim Bremsen eine resultierende Kraft entgegen der Fahrtrichtung, deshalb wird er langsamer. Auf den Koffer wirkt in Fahrtrichtung keine resultierende Kraft, weil die Ablage als reibungsfrei angenommen wird. Nach dem Trägheitsprinzip behält er seine Geschwindigkeit von 10 m/s daher unverändert bei. Ergebnis: Der Bus wird langsamer, der Koffer nicht. Antwortsatz: Der Koffer rutscht nicht nach vorn, weil ihn etwas schiebt, sondern weil er sein Tempo beibehält, während der Bus unter ihm langsamer wird — dadurch wandert er gegenüber dem Bus nach vorn.

Ansatz: Geschwindigkeit umrechnen, dann \( s = v \cdot t \) mit gleichbleibender Geschwindigkeit, weil auf den Koffer keine resultierende Kraft wirkt. Rechnung: \( v = 36\ \mathrm{km/h} : 3{,}6 = 10\ \mathrm{m/s} \), also \( s = 10\ \mathrm{m/s} \cdot 4{,}0\ \mathrm{s} = 40\ \mathrm{m} \). Vergleich mit der Ablage: Der Koffer erreicht deren Ende schon nach \( t = 1{,}2\ \mathrm{m} : 10\ \mathrm{m/s} = 0{,}12\ \mathrm{s} \). Ergebnis: etwa 40 m gegenüber 1,2 m. Antwortsatz: Der Koffer würde in den 4,0 s rund 40 m weit gleiten; die 1,2 m lange Ablage reicht dafür nicht annähernd aus, er verlässt sie bereits nach etwa 0,12 s. Nicht gebraucht werden die Masse des Busses, die Zahl der Fahrgäste, die Masse des Koffers, die Streckenlänge und der Fahrpreis.

Erwartet wird ein begründetes Urteil, das die Aussage zurückweist. Kriterium 1 — Partner: Zu jeder Kraft gehört ein Körper, von dem sie ausgeht; für eine Kraft nach vorn auf den Koffer lässt sich hier kein solcher Körper benennen. Kriterium 2 — Gesetzmäßigkeit: Nach dem 1. Newtonschen Axiom braucht der Koffer gar keine Kraft, um seine 10 m/s zu halten; eine Kraft nach vorn würde ihn im Gegenteil schneller machen, und das beobachtet niemand. Kriterium 3 — Erklärungskraft: Die Beobachtung ist ohne diese Kraft vollständig erklärt, allein damit, dass der Bus langsamer wird und der Koffer nicht. Als vollständige Antwort gilt ein klares Urteil („die Aussage ist falsch“) mit mindestens zwei dieser drei Begründungen. Zusatz möglich: Der Fahrgast urteilt aus dem mitbremsenden Bus heraus, und von dort sieht das Beibehalten des Tempos wie ein Schub nach vorn aus — dieselbe Trägheit ist auch der Grund für Sicherheitsgurte.