Mechanik Physik - Lehrgang * Modul 1 Emmerich KNERINGER - Die Gesetze der Mechanik bilden die Grundlage

Physik – Lehrgang *)
 Modul 1
 Mechanik
 Die Gesetze der Mechanik bilden die Grundlage
 unseres Alltags und des modernen Arbeitslebens **)

 Emmerich KNERINGER
 Unterlagen − Teil1 (vom 9. April 2021)

*) für Biologielehrkräfte **) aus einem Schulbuch

Mechanik

Kräfte und Bewegungen

Aber auch Energie ist wichtig

1. Bewegung und Geschwindikgkeit
Bewegung bedeutet in der Physik die Änderung des Ortes
eines Massenpunkts oder Körpers mit der Zeit. Ein bewegter
Körper weist eine bestimmte Geschwindigkeit auf.

Marathon kann als eine 1-dimensionale Bewegung mit
relativ konstanter Geschwindigkeit gesehen werden.
 Eliud Kipchoge
2019 durchbrach der Kenianer Eliud Kipchoge Die Leistung des kenianischen
bei einem Rekordversuch in Wien mit Langstreckenläufers 2019 in
 Wien gilt nicht als Weltrekord,
1:59:40 h als erster Mensch die „Schallmauer“
 da sie nicht unter Wettkampf-
von 2 h für die Marathonstrecke von 42.195 km. bedingungen erfolgte.
Nach 28:10 Minuten passierte er die 10-km-Marke,
nach 59:54 hatte er die erste Hälfte absolviert.

Berechnen Sie die durchschnittliche Geschwindigkeit des Läufers
in Meter pro Sekunde.

 ⚫ Geschwindigkeit = Weg/Zeit
 = Τ 
 3

Umrechnung km/h → m/s

 A) mal 3.6
 B) kein Unterschied
 C) dividiert durch 3.6

Merkregel: "Von größer auf kleiner → dividieren!"

 4

Vergleich

⚫ 100 m Sprint in 10 Sekunden
 ➢ 10 m/s entspricht 36 km/h

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2. Kraft und Beschleunigung
Bewegung bedeutet in der Physik die Änderung des Ortes
eines Massenpunkts oder Körpers mit der Zeit. Ein bewegter
Körper weist eine bestimmte Geschwindigkeit auf.
Ändert sich seine Geschwindigkeit, wird er beschleunigt.

Vorgestern startete eine Falcon 9 Rakete in Cape Canaveral.
Warum hebt die Rakete ab?
→ Schubkraft der Triebwerke (Münchhauseneffekt!)

Berechnen Sie die durchschnittliche Beschleunigung der Rakete
beim Start in Prozent der Erdbeschleunigung (für gravity).

1. (dynamisch) Aus den bekannten Daten: = ∙ Newton
 (550 + 22) Tonnen Masse, Schubkraft 7607 kN mass
 7607/572 = 13.3 N/kg = 13.3 m/s2 acceleration
 velocity
 (13.3 – 9.81)/9.81 = 0.356 ~ 1/3 Erdbeschleunigung
 time
2. (kinematisch) Aus Messwerten beim Start: = ∙ 
 [Arbeitsauftrag] nimmt gleichmäßig zu
 6

auch interessant
 (da sehr fundamental)

Geschwindigkeit der Rakete im Orbit
 z.B. aus dem Video
 → Vergleich mit dem theoretisch erwarteten Wert

Allgemeines
 Selbststudienanteile (á 60 min)
 E-Learning oder Fernstudium (á 60 min)
 Präsenzstudienanteile (á 60 min)
 Studienfachbereich

 Fachwissenschaften
 Seminar

Die Lehrveranstaltungsleiterin/der Lehrveranstaltungsleiter haben die Studierenden zu Beginn
der Lehrveranstaltung nachweislich über die Beurteilungsform, die Beurteilungskriterien und
die Beurteilungsmaßstäbe der Lehrveranstaltungsüberprüfung zu informieren.

 ⚫ Beurteilungskriterium
 ➢ Bewertung der abgegebenen Arbeitsaufträge
 ▪ Mit Erfolg Teilgenommen, falls 60% der Aufgaben im
 wesentlichen richtig!
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Einstieg
⚫ Vorstellung Referent mittels Instituts-Seite
 ➢ und ATLAS-Video vom CERN
⚫ Fachexpertise: 4 Jahre Mechanik Vorlesung

⚫ TeilnehmerInnen
 ➢ MS: vom O-Dorf bis Eugendorf
 ▪ O-Dorf, Wattens, Breitenbach, Stumm, Fügen, Hopfgarten,
 Kössen, Kitzbühel, Eugendorf
 ➢ HAK:
 ▪ Imst, Telfs, Schwaz, Kitzbühel , Kufstein(HLW)
 ➢ BAfEP
⚫ Bemerkungen, Appetizer, Schulbücher
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Bemerkungen und Einsichten
⚫ Mechanik ist das erste (auch historisch) und
 "einfachste" Fachgebiet (in der Physik).
⚫ Die beim Lehren und Lernen auftretenden
 Probleme sind vielschichtig und vielfältig.
⚫ Es gibt viele gute (und weniger gute) Lehrbücher.
⚫ Wichtig ist, sich mit einigen (interessanten)
 Themen intensiver zu beschäftigen
 ➢ um etwas zu verstehen, was man vorher nicht
 verstanden hat,
 ➢ um Grundkonzepte zu verstehen, sodass man dann
 leichter andere Aufgaben lösen kann,
 ➢ und um abstraktes und logisches Denken zu üben.
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Appetizer
a) Falcon 9 Raketenstart vom Mittwoch (siehe Beginn)
 ➢ Video (→ Arbeitsauftrag)
b) Spinnenseide fängt Boeing ab
 ➢ auf der Eduthek: Projekt Enter Bionics
 ➢ Locandy screen-shots
 ➢ Rechnung als Arbeitsauftrag
c) Rigolo Balance Akt
 ➢ Schwerpunkt von 3 Klotzen
 als Arbeitsauftrag
d) Newton-Pendel

 Simulation (interaktiv, mit sound)
 11

b) Spinnenseide und Boeing

 12

Locandy

 13

screen-shots

 14

Aufgabe

 15

c) Rigolo-Balance-Akt
 ⚫ Wie funktioniert das?
 → Modell → Verständnis → brauchbar? Vorhersage?

Youtube-Video
Das Modell zum Rigolo-Balance-Akt
macht eine Vorhersage darüber,
wie lang die Stäbe sein müssen. 16

Wesentliches Element des Modells:
 Gleichgewicht

 Stabilität wird durch
 30
 Tieferlegen des
 6
 Schwerpunkts erreicht.
 62 siehe Beispiel "Adler":

 14

 2

⚫ Massen mn
 ➢ Formel: mn+1 = 2mn + 2 Masse des Grundelements
 ▪ Masseneinheit: halbe Masse des Grundelements (linke blaue Linie)
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Maße für das Holzmodell
 ⚫ Ansatz
 ➢ Gleichgewicht
 der Drehmomente
 66,9

 44,7

 77,8
 2b
 a 56,0
20
 a 33,1
 Länge des Grundelements = 2a = 20
 Breite der Stäbe = 2b = 1
 Berechnung der Längen: Excel-Datei 18

Holzmodelle

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Arbeitsauftrag Schwerpunkt
⚫ Vier Bauklötze stapeln, sodass ein möglichst
 großer Überhang erreicht wird.
 ➢ Ein Quader hat die Länge 2 (beliebige Einheit)

 1

 maximaler Überhang = ?
 (= Summe von 4 Werten)
⚫ Optimum:
 ➢ Der Schwerpunkt aller darüberliegenden Elemente
 liegt genau auf der Kippkante des darunterliegenden
 Elements.
 20

Wo ist der neue Schwerpunkt?
 Man kann sich die Masse aller
 drei Klotzen im Schwerpunkt
 vereint denken!
 1
 × ×

 1
 ⚫ Hinweis: Hebelgesetz
 ➢ Der Schwerpunkt von 2 Massen ist dort, wo sie sich
 "die Waage halten".
 ➢ Der Schwerpunkt teilt die Strecke (hier mit Länge 1)
 im umgekehrten Verhältnis der Massen:
 1 2
 ×
 2 1 21
Um den 4. und letzten Beitrag zum Überhang zu bekommen, muss man die ganze Prozedur nochmal machen.

SCHULBÜCHER

Als Vorbereitung habe ich mich verschiedene auf digi4school
verfügbare Lehrbücher angesehen:
- Mittelschule (2)
- HAK (3)

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Schulbücher MS + HLW
⚫ Physik verstehen (2-4)
 ➢ Band 2 (2019, ID 4141) Masin, Grois
 ▪ 2: Die Welt, in der wir uns bewegen
 ➢ Band 4 (2020, ID 5046) Masin, Grois
 ▪ 2: Kräfte, freier Fall, Kreisbewegung, Planeten, Gravitation,
 Raumfahrt
⚫ Erlebnis Naturwissenschaften (1-5)
 ➢ Band 3 (ID 3571) Gschöpf, Prantl-Maresch Keine Kinematik!
 ▪ in Kompetenzmodul 5: Entwicklung und Weltanschauung
 – Physik ist eine Naturwissenschaft
 » 3: Kräfte – was können sie, wie wirken sie?
 » 4: Das Universum – unendlich und geheimnisvoll (Kepl. Newt.)
 ▪ in Kompetenzmodul 6: Energie und Umwelt
 – Energiebegriff der Physik
 » 2: Arbeit und Energie – ergänzen sich
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Buch: Physik verstehen – Band 2
⚫ Was versteht man unter Geschwindigkeit? Fragen
⚫ Welche Maßeinheiten verwenden wir dafür?
⚫ Wie messen wir Geschwindigkeiten?
⚫ Wie berechnen wir die Durchschnittsgeschwindigkeit?
⚫ Welche Bewegungsarten gibt es?
⚫ Wie zeigt sich die Masse eines Körpers?
⚫ Welche Maßeinheiten verwenden wir für die Masse?
⚫ Wie bestimmt man die Masse eines Körpers?
⚫ Welche Wirkungen kann eine Kraft haben?
 qualitativ
⚫ Welche Arten von Kräften gibt es?
⚫ Welche Maßeinheiten verwendet man für Kräfte?
⚫ Wie misst man eine Kraft?
⚫ Wie kann man Kräfte darstellen?
⚫ Wie lautet das Gesetz von Kraft und Gegenkraft?
⚫ Wie nutzt man die Gegenkraft zur Fortbewegung an Land?
⚫ Wie nutzt man die Gegenkraft des bewegten Wassers?
⚫ Wie nutz man die Gegenkraft bewegter Gase? 24

Buch: Physik verstehen – Band 2
⚫ Was ist die Ursache der Gewichtskraft?
⚫ Was passiert beim freien Fall?

⚫ Was bezeichnet man als Schwerpunkt eines
 Körpers?
⚫ Wann sind Körper im Gleichgewicht?
⚫ Welche Gleichgewichtsarten gibt es?
⚫ Wann fällt ein Körper um?
⚫ Wie kannst du die Standfestigkeit eines Körpers
 erhöhen?
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Buch: Physik verstehen – Band 2
⚫ Reibung und Reibungskraft

⚫ Arbeit (Formen, Maßeinheiten, Berechnung: W = Fs)
⚫ Leistung (P = W/t)
⚫ Energie (Formen)
 ➢ Bewegungsenergie
 ➢ Lageenergie
 ➢ Spannenergie
⚫ Einfache Geräte erleichtern die Arbeit
 ➢ Umlenkung und Aufteilung von Kräften
 ➢ Der Keil
 ➢ Die Schraube
 ➢ Der Hebel
 ➢ Rollen und Wellräder
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Buch: Physik verstehen – Band 4
Gekrümmte Wege auf der Erde und im Weltall
1. Kräfte und Bewegungen Fragen
 ➢ Was verstehen wir unter Beschleunigung?
 ➢ Welcher Zusammenhang besteht zwischen Kraft, Masse und
 Beschleunigung?
 ➢ Wie bewegen sich Körper auf der schiefen Ebene?
2. Der freie Fall
 ➢ Welche Bewegung macht ein frei fallender Körper? quantitativ
 ➢ Wie groß ist die Fallbeschleunigung auf der Erde?
 ➢ Wie verläuft eine Fallbewegung in der Luft und im Vakuum?
3. Die Kreisbewegung
 ➢ Welche Kräfte treten bei Kreisbewegung auf?
 ➢ Wie verläuft die Kurvenfahrt eines Radfahrers? Unklare Erklärung!
 ➢ Wovon hängt die Größe der Zentripetalkraft ab?
4. Planetenbewegung – Gravitation – Raumfahrt
 ➢ Wie erklärt man die Planetenbahnen?
 ➢ Wodurch entsteht die Bahn eines Satelliten?
 ➢ Wie hoch sind die Umlauf- und Fluchtgeschwindigkeit? Vgl. vorne!
 ➢ Warum erscheinen Körper in einer kreisenden Raumstation schwerelos?
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Problem Kurvenfahrt
⚫ Wie verläuft die Kurvenfahrt eines Radfahrers?
Für die Kurvenfahrt ist die Zentripetalkraft notwendig. Sie ergibt sich durch zwei
Kräfte: einerseits durch die Gewichtskraft FG. Andererseits durch die Gegenkraft FB,
die durch die Druckkraft entsteht, die Rad und Radfahrer auf die Fahrbahn ausüben
(jede Kraft erzeugt eine gleich große Gegenkraft).
Bei der Kurvenfahrt neigt der Radfahrer das Fahrrad zur Kurveninnenseite. Das
macht er, damit er die Richtung der Kraft FB leichter erreichen kann. Dadurch ergibt
sich die erforderliche Zentripetalkraft, damit der Radfahrer nicht umfällt.

 Diskutieren Sie darüber, ob
 dieser Text verständlich ist.

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