Kraftstoß im virtuellen Labor: Kraft-Zeit-Graph im Crashtest

Dieser Versuch zum Kraftstoß im virtuellen Labor macht aus den Themen Impuls und Fahrzeugsicherheit in GCSE, A-Level und AP Physics einen praktischen Versuch. Ein Wagen mit Puffer fährt auf einer Luftkissenbahn gegen eine Wand mit Kraftsensor, und Lichtschranken messen die Zeiten auf dem Hin- und Rückweg. Die Lernenden halten Masse und Geschwindigkeit fest, wechseln zwischen weicher Feder, harter Feder, Knautschzone und Airbag und lesen bei jedem Durchgang Spitzenkraft, Kontaktzeit und Kraftstoß ab. Die Fläche unter dem Kraft-Zeit-Graphen stimmt jedes Mal mit der Impulsänderung aus den Lichtschranken überein. Die Stunde endet mit einer Konstruktionsaufgabe: ein Ei auf einem fahrenden Wagen schützen.

Lehrplanbezug

• AQA GCSE Physics 4.5.7.3 (Impulsänderungen): F = mΔv/Δt und Sicherheitseinrichtungen wie Airbags, Sicherheitsgurte und Knautschzonen. Die Lichtschranken arbeiten wie in den GCSE-Versuchen mit Wagen.
• AQA A-level Physics 3.4.1.6 (Impuls): Kraftstoß als Fläche unter einem Kraft-Zeit-Graphen.
• AP Physics 1 Unit 4 (Linearimpuls), Thema 4.2 zu Impulsänderung und Kraftstoß.
• NGSS HS-PS2-3 (US-Standard): eine Vorrichtung entwerfen, die die Kraft auf einen Körper bei einem Stoß minimiert.

Simulic ist weder mit AQA noch mit dem College Board oder einer anderen Prüfungsstelle verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

Vor dem Experiment (5 min)

Lassen Sie die Lernenden sich auf eine Vorhersage festlegen, auf Papier oder als Frage 1 des Klassenlinks:

„Ein Wagen mit 1 kg fährt mit 3 m/s gegen eine Wand, zuerst mit einem Puffer aus weicher Feder, dann mit harter Feder. Beide Male prallt er mit 3 m/s zurück. Wie unterscheidet sich die Spitzenkraft auf die Wand?“

Viele Lernende sagen, die Kraft ist gleich, weil die Impulsänderung gleich ist. Korrigieren Sie sie noch nicht.

Durchführung in der Simulation

1. Klicken Sie auf Kraftsensor & Crashtest. Lassen Sie Stößt gegen auf „Wand mit Kraftsensor“, Masse m₁ auf 1,0 kg, Geschwindigkeit u₁ auf 3,0 m/s und Pufferlänge auf 20 cm.
2. Wählen Sie bei Puffer „Weiche Feder“ und klicken Sie auf Starten. Der Kontakt läuft in Zeitlupe ab, danach wird eine Zeile in die Tabelle eingetragen.
3. Wiederholen Sie das mit Harte Feder, Knautschzone und Airbag. Halten Sie m₁ und u₁ jedes Mal gleich.
4. Notieren Sie für jeden Durchgang u und v aus der Lichtschranke, Δp, den Kraftstoß J (die schattierte Fläche), die Kontaktzeit Δt und die Spitzenkraft Fmax.
5. Vergleichen Sie den roten Graphen (Kraft auf die Wand) mit dem blauen Graphen (Kraft auf den Wagen).

Puffer	u (m/s)	v (m/s)	Δp (kg·m/s)	J (N·s)	Δt (ms)	Fmax (N)
Weiche Feder
Harte Feder
Knautschzone
Airbag

Erwartete Ergebnisse

Alle Werte stammen aus der Simulation. Sie hat keinen Zufallsfehler, daher erhält jede Gruppe dieselben Zahlen.

Puffer	v (m/s)	Δp = J (kg·m/s)	Δt (ms)	Fmax (N)	F̄ = J/Δt (N)
Weiche Feder	−3,00	−6,000	157,1	60,0	38,2
Harte Feder	−3,00	−6,000	44,4	212,1	135,0
Knautschzone	−0,24	−3,245	56,6	60,0	57,4
Airbag	−0,82	−3,820	232,5	62,4	16,4

• Der Kraftstoß vom Sensor ist immer gleich Δp aus der Lichtschranke.
• Beide Federn ergeben dasselbe Δp, aber der Kontakt der weichen Feder dauert 3,5-mal so lang, und ihre Spitzenkraft ist 3,5-mal kleiner.
• Knautschzone und Airbag prallen kaum zurück, daher ist Δp etwa halb so groß. Sie nehmen außerdem etwa 4,2 bis 4,5 J kinetische Energie auf.
• Die rote und die blaue Kurve sind Spiegelbilder: Die Wand drückt so stark auf den Wagen wie der Wagen auf die Wand.

Fragen für die Lernenden

1. (Vorhersage, nach dem Versuch erneut gestellt) Wie unterscheidet sich die Spitzenkraft mit weicher Feder von der mit harter Feder?
2. Welche Größen müssen gleich bleiben, während Sie die Puffer vergleichen?
3. Wie groß ist die Spitzenkraft mit harter Feder, m₁ = 1,0 kg und u₁ = 3,0 m/s?
4. Wievielmal so lang ist die Kontaktzeit der weichen Feder wie die der harten Feder?
5. Erklären Sie mit dem Impuls, warum ein Airbag die Kraft auf den Fahrer bei einem Unfall verringert.

Antworten für Lehrkräfte: (1) Die weiche Feder ergibt eine kleinere Spitzenkraft (60 N gegenüber 212 N), weil der Kontakt länger dauert. (2) Die Masse m₁ und die Geschwindigkeit u₁, damit die Impulsänderung vergleichbar ist. (3) 212 N (akzeptiert ±2). (4) 157,1 ÷ 44,4 ≈ 3,54. (5) Die Impulsänderung des Fahrers ist durch seine Masse und Geschwindigkeit festgelegt. Kraft = Impulsänderung ÷ Zeit, also ergibt ein Airbag, der das Abbremsen verlängert, eine kleinere Kraft.

Häufige Fehlvorstellungen

• „Gleiche Impulsänderung bedeutet gleiche Kraft.“ Der Kraftstoß ist gleich, aber Kraft = Δp/Δt. Verteilt man die Änderung auf mehr Zeit, sinkt die Kraft.
• „Ein weicherer Puffer ist immer sicherer.“ Stellen Sie Geschwindigkeit u₁ mit der weichen Feder auf 4,5 m/s: Sie wird ganz zusammengedrückt, und die Kraft schießt auf etwa 1210 N hoch. Eine Sicherheitseinrichtung muss weich und lang genug sein.
• „Der schwerere Körper drückt stärker.“ Wählen Sie Ruhender Wagen 2: Die Kräfte auf die beiden Wagen sind gleich groß und entgegengesetzt, unabhängig von ihren Massen.

Erweiterung

• Konstruktionsaufgabe (NGSS HS-PS2-3): Stellen Sie Aufgabe auf Konstruktionsaufgabe. Ein 2-kg-Wagen mit einem Ei fährt mit 3 m/s gegen die Wand; halten Sie Fmax bei höchstens 100 N mit einem Puffer, der nicht länger als 15 cm ist. In der Simulation besteht keine Feder: Federn, die weich genug sind, werden ganz zusammengedrückt. Ein 15-cm-Airbag besteht mit 88 N; eine Knautschzone mit 90 N Stauchkraft besteht mit genau 90 N.
• Wählen Sie bei Stößt gegen „Ruhender Wagen 2“ und prüfen Sie, dass für beide Wagen J₁ = −J₂ gilt.

Häufige Fragen

Kann der Klassenlink direkt in der Ansicht mit dem Kraftsensor öffnen?

Ja. Heften Sie auf der Seite Teilen in den Startwerten des Links Ansicht auf „Kraftsensor & Crashtest“ an. Sie können auch Puffer und Stößt gegen anheften. Andernfalls fordert der erste Schritt der Durchführung die Lernenden auf, die Schaltfläche zu klicken.

Warum ist J negativ?

Der Wagen bewegt sich in positiver Richtung auf die Wand zu, und die Wand drückt ihn zurück. Daher sind der Kraftstoß auf den Wagen und seine Impulsänderung beide negativ.

Wo ist der Teil zur Impulserhaltung?

Klicken Sie auf Zurück zur Luftkissenbahn für zwei Wagen, die elastisch oder unelastisch zusammenstoßen. Der Unterrichtsentwurf Kräfte und Bewegung behandelt die Kräfte ausführlicher.

Verwandte Simulationen und Leitfäden

Stoßlabor – Impuls und kinetische Energie bei Stößen Zweites Newtonsches Gesetz – Ziehen eines Klotzes auf einer Unterlage

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