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Kräfteplan am freigeschnittenen Körper – schiefe Ebene, Aufzug und Rolle

PhysikKräfte und DynamikAlter 15–16Virtuelles Labor

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Sechs Situationen: ein Klotz auf einer rauen schiefen Ebene (in Ruhe oder abwärts gleitend), ein Klotz, der die Ebene hinaufgleitet, eine Masse an einem Seil, das sie nach oben zieht, ein schwimmender Klotz, eine Person auf einer Personenwaage im Aufzug und zwei über eine Rolle verbundene Klötze. Ziehen Sie Kraftpfeile (Gewichtskraft, Normalkraft, Reibungskraft, Seilkraft, Auftriebskraft) an jeden Körper, richten Sie sie aus und drücken Sie Prüfen; ist der Kräfteplan richtig, berechnet die Simulation jede Kraft und die Beschleunigung mit dem zweiten newtonschen Gesetz. Im Aufzug zeigt die Waage N = m(g + a), im freien Fall null; im Bezugssystem des Aufzugs kommt eine Trägheitskraft −ma hinzu.

Lektion: Kräfte am freigeschnittenen Körper und zweites newtonsches Gesetz

Was sie zeigt

Ein Freikörperbild zeigt einen einzelnen Körper mit allen Kräften, die auf ihn wirken, gezeichnet von seinem Schwerpunkt aus wie im Massenpunktmodell. Jede Kraft stammt von etwas, das den Körper berührt oder zieht: der Erde (Gewichtskraft), einer Fläche (Normal- und Reibungskraft), einem Seil (Seilkraft) oder einer Flüssigkeit (Auftriebskraft). Die Summe der Kräfte ist die resultierende Kraft, und das zweite newtonsche Gesetz ΣF = ma liefert die Beschleunigung. In einem beschleunigten Aufzug zeigt die Waage N = m(g + a); im Bezugssystem des Aufzugs gleicht eine Trägheitskraft −ma die Kräfte aus. Das Modell nutzt g = 9,81 m/s², eine Reibungszahl μ sowie ein leichtes Seil und eine leichte Rolle.

So funktioniert es

Wählen Sie eine Situation. Ziehen Sie eine Kraft aus der Ablage zum Körper und lassen Sie sie in Kraftrichtung los; ziehen Sie die runde Spitze, um sie zu drehen, oder zurück in die Ablage, um sie zu entfernen. Drücken Sie Prüfen und folgen Sie den Hinweisen. Starten bewegt die Körper. Stellen Sie im Aufzug Beschleunigung des Aufzugs a ein, drücken Sie Waagenanzeige notieren und vergleichen Sie die Optionen unter Bezugssystem. Lösung zeigen zeichnet die Kräfte maßstäblich.

Einstellbare Parameter

  • Situation Klotz auf rauer schiefer Ebene, Klotz gleitet die Ebene hinauf, Masse am Seil nach oben gezogen, Schwimmender Klotz, Person auf einer Waage im Aufzug, Zwei Klötze über eine Rolle
  • Masse m (Klotz A an der Rolle) 0,5–10 kg
  • Masse von Klotz B 0,1–10 kg
  • Neigungswinkel α 5–60 °
  • Reibungszahl μ 0–1
  • Seilkraft 0–60 N
  • Dichte des Klotzes ρ 100–950 kg/m³
  • Masse der Person m 20–120 kg
  • Beschleunigung des Aufzugs a (+ nach oben) -9,81–5 m/s²
  • Bezugssystem Erde, Aufzug
  • Masse der Person verbergen
  • Lösung zeigen (Kräfte maßstäblich)

Fragen zum Erkunden

  1. Warum zeigt die Reibungskraft hangabwärts, wenn ein Klotz die Ebene hinaufgleitet?
  2. Was zeigt eine Personenwaage in einem Aufzug, dessen Seil gerissen ist, und warum?
  3. Welche Kraft müssen Sie ergänzen, wenn Sie die Person aus einem beschleunigten Aufzug heraus beschreiben?

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