Stöße auf der Luftkissenbahn – Impulserhaltung

PhysikEnergie und ImpulsAlter 15–16Virtuelles Labor

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Zwei Wagen der Massen m₁ und m₂ bewegen sich mit den Geschwindigkeiten v₁ und v₂ auf einer Luftkissenbahn und stoßen elastisch oder unelastisch (sie bleiben aneinander haften). Die Graphen von p₁, p₂ und dem Gesamtimpuls p über der Zeit zeigen, dass der Gesamtimpuls konstant bleibt, und eine Tabelle vergleicht Impuls und kinetische Energie vor und nach dem Stoß. Ziehen Sie einen Wagen, um seine Startposition zu ändern. Die Ansicht Kraftsensor rüstet einen Puffer aus (weiche Feder, harte Feder, Knautschzone oder Airbag) und zeichnet die Kraft über der Zeit: der Kraftstoß J, die Fläche unter dem Graphen, ist gleich dem mit Lichtschranken gemessenen Δp, und eine längere Kontaktzeit ergibt eine kleinere Spitzenkraft.

Lektion: Impuls, Impulserhaltung, elastischer und unelastischer Stoß, Kraftstoß und Kraft-Zeit-Diagramme

Was sie zeigt

Der Impuls p = mv ist ein Vektor, sein Vorzeichen zeigt also die Bewegungsrichtung. Auf einer reibungsfreien Luftkissenbahn ist der Gesamtimpuls m₁v₁ + m₂v₂ vor und nach dem Stoß gleich; beim elastischen Stoß bleibt auch die kinetische Energie erhalten, während aneinander haftende Wagen einen Teil davon in Wärme und Verformung umwandeln. Während des Stoßes drücken die beiden Körper mit gleich großen, entgegengesetzten Kräften aufeinander (drittes newtonsches Gesetz). Der Kraftstoß J = ∫F dt, die Fläche unter dem Kraft-Zeit-Graphen, ist gleich der Impulsänderung: Bei gleichem Δp führt eine längere Kontaktzeit zu einer kleineren Spitzenkraft, das Prinzip von Knautschzonen, Airbags und Helmen.

So funktioniert es

Stellen Sie auf der Luftkissenbahn Massen und Geschwindigkeiten ein, ziehen Sie die Wagen und klicken Sie auf Start; vergleichen Sie die Zeilen Vorher und Nachher und klicken Sie auf Stoßart wechseln. Klicken Sie auf Kraftsensor & Crashtest, wählen Sie Stößt gegen und einen Puffer und klicken Sie auf Starten. Jeder Versuch fügt eine Tabellenzeile mit Lichtschrankenzeiten, Δp, J, Δt und Spitzenkraft hinzu. Halten Sie m₁ und u₁ fest, während Sie Puffer vergleichen, und versuchen Sie dann die Konstruktionsaufgabe.

Einstellbare Parameter

Masse von Wagen 1 0,5–5 kg
Anfangsgeschwindigkeit von Wagen 1 -5–5 m/s
Masse von Wagen 2 0,5–5 kg
Anfangsgeschwindigkeit von Wagen 2 -5–5 m/s
Stoßart Elastisch, Unelastisch (haften aneinander)
Ansicht Luftkissenbahn (Impulserhaltung), Kraftsensor & Crashtest
Puffer Weiche Feder, Harte Feder, Knautschzone, Airbag
Stößt gegen Wand mit Kraftsensor, Ruhender Wagen 2

Fragen zum Erkunden

Wie können Sie beim unelastischen Stoß die gemeinsame Geschwindigkeit der Wagen aus ihren Massen und Anfangsgeschwindigkeiten berechnen?
Warum ergibt eine Knautschzone oder ein Airbag bei gleicher Impulsänderung eine kleinere Spitzenkraft als eine harte Feder?
Was passiert bei gleichen Massen und einem elastischen Stoß mit den Geschwindigkeiten der beiden Wagen?

Ideen für den Unterricht

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