Arbeitsblatt: Kräfte

Kräfte NATURLEHRE 2. Sek Schule Utenberg NAME: Lernziele Kräfte 1. Du kennst den Begriff der „Kraft und kannst diesen genau erklären. 2. Du weißt, wann eine Kraft wirkt und kennst Alltagsbeispiele dazu. 3. Du kennst verschiedene Arten von Kräften und kannst diese mit Beispielen erklären. 4. Du kannst die Begriffe Masse und Gewichtskraft erklären und mit Hilfe von diesen, verschiedene Rechnungen zu Kräften lösen. 5. Du kannst Experimente zu Masse und Gewichtskraft durchführen und diese auswerten und erklären. 6. Du kennst verschiedene Kraftwandler (schiefe Ebene, Flaschenzug, Hebel) und kannst diese erklären. 7. Du kannst Berechnungen anhand der Kraftwandler tätigen. 8. Du führst Experimente zu den Kraftwandlern eigenständig durch, kannst diese erklären und auswerten. 9. Du bist in der Lage, den Angriffspunkt, die Grösse und die Richtung einer Kraft einzuzeichnen. 10. Du weißt, wie sich Kräfte addieren lassen und kannst die Gesamtkraft konstruieren und berechnen. 11. Du kannst den Begriff der „Reibung in eigenen Worten erklären und kennst den Unterschied der Haftreibung und Gleitreibung 2 Kräfte In der Natur und im Alltag begegnen uns viele und verschiedene Kräfte. Kräfte bewirken immer eine Bewegungsänderung oder eine Verformung eines Körpers. Beim Ellbogenkampf können wir direkt die Kräfte zweier Personen vergleichen. Der Gewinner ist stärker, er hat also mehr Kraft. Ist eine der beiden Kräfte zu klein, so entsteht eine Bewegung. 1. Überlege dir, weshalb bei deinem letzten Armdrückwettkampf eine Bewegung entstanden ist und notiere deine Erkenntnisse. 2. Auf folgenden vier Bildern kannst du Wirkungen von Kräften erkennen. Notiere dir in der Tabelle, auf welche Körper eine Kraft ausgeübt wird und welche Wirkung sie hat. Bild Körper, auf den die Kraft wirkt Wirkung der Kraft 1 2 3 4 Definition physikalische Kraft Eine Physikalische Kraft kann man nicht sehen, man erkennt sie an ihrer Wirkung. Immer wenn sich der eines Körpers ändert, wirkt auf ihn eine Kraft. Immer wenn sich die Form eines Körpers ändert, wirkt auf ihn eine Kraft 3 Aufgaben Löse im gelben Physikbuch auf der Seite 58 die Aufgaben 1und 2. 1 2 Seilziehen Kraft Arten In der Physik gibt es ganz viele unterschiedliche Kräfte. Leider sind in der untenstehenden Aufgabe die Erklärungen auf der rechten Seite durcheinander geraten. Versuche alleine die Erklärungen den verschiedenen Kräften zuzuordnen, indem du sie miteinander verbindest. Reibungskraft Die Erde zieht mit ihrer Schwerkraft Körper an. Aus diesem Grund fallen Äpfel vom Baum. Federkraft Sie ist der Grund, weshalb es möglich ist, dass Luftballone fliegen können oder Menschen und Fische im Wasser schwimmen können. Auftriebskraft 1/3 des gesamten Schweizer Strombedarfs wird durch diese wirkende Kraft in Kernkraftwerken gedeckt. Kernkraft Mit vereinten Kräften setzen sich die Pferde in Bewegung und ziehen die Kutsche hinter sich her. Muskelkraft Im Sportunterricht wird das Trampolin aufgestellt. Die Schülerinnen und Schüler springen aufs Trampolin und fliegen in die Höhe. 4 Spannungskraft Ein Auto fährt im Regen viel zu schnell auf der wasserüberströmten Strasse. Die Reifen verliert den Halt auf dem Boden und das Auto schlittert unkontrolliert von der Strasse. Gravitationskraft Der Bogenschütze spannt seinen Bogen und die Pfeile fliegen davon. Kräfte messen Wie misst man die Gewichtskraft? Kräfte können gemessen werden. Damit man Kräfte messen kann, braucht man ein Messgerät, die sogenannte Federwaage. Wir nennen diese Instrumente Kraftmesser. Die Kraft, welche wir messen, verformt eine Stahlfeder, die in einem Röhrchen mit einer Skala untergebracht ist. Je grösser die Kraft, desto stärker wird die Feder gedehnt. Aufgabe: Nehmt euch nun zu zweit einen Kraftmesser und versucht mit diesem einige Gewichte zu messen. Kraftmesser sind sehr heikel und gehen schnell kaputt, also Vorsicht damit. Wie funktioniert die Federwaage? Einheit der Kraft Kräfte werden in Newton gemessen. 1 Newton entspricht der Gewichtskraft, die auf eine Tafel Schokolade (100g) wirkt. Wir müssen eine Kraft von 1 Newton (1 N) aufwenden, um eine Schokolade aufzuheben. 1 entspricht der Gewichtskraft einer Masse von. 5 3. Kräfte berechnen Kräfte kann man nicht nur messen, sondern man kann sie auch berechnen. Bevor die Formel bekannt gegeben wird, sollst du selber Experimente durchführen. 1. Holt zu zweit unterschiedliche Gegenstände und messt sie mit der Waage und mit dem Kraftmesser. Fülle dabei folgende Tabelle aus. Gegenstand Masse (Waage) in kg Gewichtskraft (Kraftmesser) in 2. Was fällt auf, wenn du die Resultate miteinander vergleichst? 3. Berechne die Gewichtskraft. Masse Gewichtskraft 250g 5kg 3t 6 Theorie Masse und Gewichtskraft Masse des Körpers Fallbeschleunigung (Ortsfaktor) Alle Körper ziehen sich aufgrund ihrer Masse gegenseitig an. Diese Erscheinung wird als Massenanziehung oder Gravitation bezeichnet. Für die Erde und die auf ihr befindlichen Körper gilt dann: Alle Körper auf der Erde werden von dieser angezogen. Diese Anziehungskraft bewirkt, dass ein Apfel, wenn man ihn loslässt, nach unten fällt. Gravitationsgesetz: Die Gewichtskraft gibt bspw. an, wie stark ein Körper auf eine Unterlage drückt. Die Gewichtskraft zeigt in Richtung Erdmittelpunkt. Sie ist abhängig von. von seiner Masse und von dem Ort, an dem er sich befindet. Je grösser die Masse eines Körpers ist, umso grösser ist auch seine Gewichtskraft. Die Gewichtskraft kann mit einer Gleichung berechnet werden: F · Einheit: ein Newton (1 N) Formelzeichen: Notizen: Im Alltag sagen wir: „Ich habe Übergewicht. Ich bin 95 Kilo schwer. In der Physik würde das heissen: „Ich habe eine von 95 kg. ODER „Ich bin 950 schwer, ich habe ein von 950 N. Aufgaben Eine Person, welche 70kg Masse hat, hat somit eine Gewichtskraft von Das Leergewicht eines McLaren P1 beträgt etwa 1.5 Tonnen. Wie du weisst, werden wir mit 10m/s2 von der Erde angezogen. Welche Kraft hat das Auto? 7 Unterschied ist zwischen Gewicht und Masse. Masse Gewichtkraft Formelzeichen Einheit Vom Ort Messinstrument Gewichtskraft auf anderen Planeten Die Gewichtskraft hängt immer vom Ort bzw. Himmelsobjekt ab, auf dem sich der Körper befindet und angezogen wird (z.B. Erde, Mond, Mars, etc.). Auf der Erde ist der Faktor, mit welchem alle Körper angezogen werden 9.81 m/s2. Somit muss die Masse auf der Erde mit dieser Zahl, der Fallbeschleunigung, verrechnet werden. Da die Zahl 9.81 gerundet die Zahl 10 ergibt, wird häufig auch mit dieser gerechnet, da dies einfacher ist. Eine Masse von 1 kg hat auf der Erdoberfläche eine Gewichtskraft von 10 N. Auf dem Mond beispielweise hat der Körper die gleiche Masse, jedoch eine andere Gewichtskraft (also nicht gleich 10N), denn der Mond hat nicht die gleiche Fallbeschleunigung wie die Erde. Eine Masse von 1 kg hat auf dem Mond ein Gewicht von 1.62 N. Folgende Tabelle gibt dir eine Übersicht der Fallbeschleunigung unterschiedlicher Himmelskörper. Himmelskörper Fallbeschleunigung Mond 1,62 m/s Venus 8,7 m/s Erde 9,81 m/s 10 m/s Mars 3.7 m/s Jupiter 23 m/s Saturn 9.1 m/s Uranus 9,4 m/s 8 Aufgaben 1. Berechne die folgenden Lücken. Masse auf der Gewichtskraft Masse auf dem Gewichtskraft Erde auf der Erde Mond auf dem Mond 1 kg 60 kg 15 kg 250 2. Wie gross ist dein Gewicht auf: der Erde dem Mars dem Mond der Venus dem Jupiter dem Saturn 9 10 Eigenschaft von Kräften: Trägheit 11 Einfache Maschinen oder Kraftwandler Versuche folgende Fragen zu beantworten: Wie kann Asterix Obelix nach oben stemmen, obwohl er viel kleiner und leichter ist? Wie möchtest du den sehr schweren Heuballen in den Wagen legen? So wie der Mann auf dem Bild oder direkt vom Boden in den Wagen? Mit welchem Modell möchtest du lieber arbeiten? Weshalb? 12 Es gibt 3 verschiedene Möglichkeiten, die Arbeit zu erleichtern: Der Hebel, die schiefe Ebene, der Flaschenzug. Einrichtungen und Werkzeuge, die wir einsetzen, um die resultierende Kraft zu vergrössern und deren Richtung zu verändern, nennt der Physiker „Einfache Maschinen. Der Hebel In den frühen Zeiten, als es noch keine motorgetriebenen Arbeitsmaschinen gab, waren Hebelwerkzeuge besonders verbreitet. Die Menschen konnten damit Arbeiten verrichten, die sonst unmöglich gewesen wären. Es stand ja nur die begrenzte Kraft von Mensch und Tier zur Verfügung. Doch selbst heute werden Hebelwerkzeuge häufiger verwendet, als man zunächst glaubt. Meist ist der Hebel eine gerade Stange, die um eine feste Achse drehbar ist. Zweiarmiger Hebel Einarmiger Hebel Der Drehpunkt liegt innerhalb der Stange. Lastarm und Kraftarm liegen zu beiden Seiten des Drehpunktes. Der Drehpunkt liegt am Hebelende, Lastarm und Kraftarm befinden sich auf derselben Seite. Der zweiarmige Hebel 13 Aufgabe Richte mit Hilfe des Experimentiermaterials einen zweiarmigen Hebel ein und balanciere ihn aus. Hänge anschliessend links und rechts Lasten im Verhältnis 1:1, 1:2, 1:3 und 1:4 auf und bringe die Waage jeweils ins Gleichgewicht. Miss die unterschiedlichen Hebelarme und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. Rechne jeweils die Produkte aus: Last links Lastarm links und Last rechts Lastarm rechts. Kraft links Hebelarm [N] links [m] Produkt [Nm] Kraft Hebelarm rechts [N] rechts [m] 1 1 1 2 1 3 1 4 Produkt [Nm] Welche Gesetzmässigkeit erkennst du? Der einarmige Hebel 14 Anstatt Hebelarm 1 und 2 wird oftmals auch Lastarm und Kraftarm verwendet. Bei welchem Hebelarm handelt es sich um den Lastarm, bei welchem um den Kraftarm? Aufgabe Richte mit Hilfe des Experimentiermaterials einen einarmigen Hebel ein und balanciere ihn aus. Hänge anschliessend rechts eine Last auf und bringe die Waage mit dem Kraftmesser jeweils ins Gleichgewicht. Miss die Last und die Kraft und die unterschiedlichen Hebelarme und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. Last [N] Lastarm [m] Produkt [Nm] Kraft [N] Kraftarm [m] Produkt [Nm] Welche Gesetzmässigkeit erkennst du? Alltagsbeispiele Hebel Wo in unserem Alltag kommen Hebel vor? Erstelle hier eine kleine Liste und schreibe die Erklärungen dazu: 15 Aufgaben Hebel Versuche bei folgenden Bildern, Last, Lastarm, Kraft und Kraftarm mit unterschiedlichen Farben einzuzeichnen. Rechne die fehlenden Grössen aus. Marc muss eine Kraft von 17N aufwenden, um eine Last von 50N anzuheben. Der Lastarm beträgt 1.32 Meter. Bei einer Schubkarre beträgt der Lastarm 45cm und der Kraftarm 103cm. Du brauchst eine Kraft von 31N um die Schubkarre zu bewegen. Wie viel wiegt die Kiste? 16 Nimm eine Schere zur Hand und messe Lastarm und Kraftarm. Die Last beträgt dabei 0.5N. Wie viel Kraft brauchst? Der Unterarm hat vom Ellenbogen bis zu den Fingerspitzen eine Länge von 40 cm. Die Masse in den Händen beträgt 2 Kg. Welche Kraft muss man aufwenden, um die Kugel wie abgebildet zu halten? Der Kraftarm beträgt 5 cm. Feste und Lose Rollen Um die letzte Möglichkeit zum Kraft sparen kennen zu lernen, ein Ausschnitt aus dem Buch „Mein Name ist Eugen von Klaus Schädelin „Nun sei dem Rieder vor nicht allzu langer Zeit Folgendes passiert: Er habe vom Estrich eine Ladung aufgestapelter Ziegel herunterschaffen wollen, und weil er sie nicht einfach hinabwerfen konnte und das Hinabtragen mühsam war, habe er am Ende des Seils ein kleines Lastenbrettchen befestigt, es heraufgezogen, das andere Ende drunten an einen Baum gebunden, und dann habe er die Ziegel zur Luke des Estrichs hinaus auf das Brett geladen, bis es voll war. Anschliessend sei er hinuntergegangen, um das Seil zu lösen und die Last sachte 17 herabzulassen. Wie er aber das Seil in Händen hielt, erwies sich die Ziegelladung oben am Dach schwerer als der Herr Rieder unten auf der Erde, und darum hob es ihn wie eine Rakete in die Höhe. Im Hinauffahren streifte er sehr schmerzhaft die Ziegel und brach sich das Schlüsselbein. Aber er fuhr weiter hinauf und schmetterte zuoberst mit dem Kopf an das Vordach, während unten das Brettchen so unsanft zu Boden kam, dass die Hälfte der Ziegel herunterfielen. Somit bekam Herr Rieder in schwindliger Höhe das Übergewicht und fuhr sausend in die Tiefe. Während der Fahrt rammte er mit dem Schienbein das herauffahrende Brett, brüllte vor Schmerz, aber krachte eine Sekunde später auf den Boden der Innerschweiz, liess natürlich vor Schreck das Seil fahren und bekam sehr bald das Brett mit dem Rest der Ziegel aufs Haupt In dieser Geschichte spielt eine sogenannte feste Rolle eine entscheidende Rolle. Mit ihr können wir allerdings noch keine Kraft sparen. Erstelle vier Skizzen, wie der Unfall nacheinander passiert ist: 1) 2) 3) 4) Wir stellen fest: Mit der festen Rolle kann die Richtung der Kraft verändert werden, nicht aber deren Grösse. 18 Die lose Rolle Der Kran wird so eingerichtet, dass der Haken für die Last direkt am Seil hängt. Im ersten Bild kann der Kran eine Last von 7 Tonnen nicht mehr anheben. Beim zweiten Bild wird das Gewicht an die lose Rolle montiert. Damit wird es gelingen. Der Kran kann also mit gleicher Kraft eine schwere Last heben, wenn der Haken an einer losen Rolle hängt, als wenn er direkt am Seil befestigt ist. Offenbar ist das Kraftsparen nicht gratis: Der Motor muss länger laufen, bis die Last gehoben ist. Mit dem Experimentiermaterial aus der Sammlung können wir die Situation, die wir am Kran getroffen haben, nachbauen. Mit den Federwaagen stellen wir die Grösse der Last fest, und die Kraft, die wir zum Heben benötigen. Auch die Wegverhältnisse können wir leicht ermitteln. Gesetze für Rollen: An der losen Rolle ist die Kraft halb so gross wie die Last (gilt für eine lose Rolle 2 Tragseile). Dafür ist der Kraftweg doppelt so lang wie der Lastweg. Was wir an Kraft gewinnen, verlieren wir an Weg. Was beim Arbeiten mit mechanischen Geräten an Kraft gespart wird, muss an Weg 19 zugesetzt werden. 20 Aufgaben Richte mit Hilfe des Experimentiermaterials an einem Stativ die untenstehenden Rollen gemäss Abbildung ein. Miss zuerst die Gewichtskraft (Lastkraft FL), die es braucht, um die Last zusammen mit der losen Rolle aufzuheben. Miss dann die Zugkraft (F Z) und den Weg, den das Seil auf der Lastseite (SL)und auf der Kraftseite (SZ) zurücklegt. Gewichtskra ft [N] Zugkraft [N] Weg [m] Lastseit Krafts eite Produkt: Kraft Weg [Nm] Lastseite Kraftseit Was stellst du fest? Wo kommen feste und lose Rollen vor? 21 22 Gib die fehlenden Werte in den Abbildungen an. Ergänze die fehlenden Werte. 23 Trage die Beträge der Kräfte ein, damit ein Gleichgewicht besteht! 24 Reibung Deine Nachhilfeschülerin kommt zu dir und bringt dir nebenstehendes Bild mit. Sie hat diese Spielerei zum Geburtstag bekommen. Ihre Frage lautet nun, weshalb die Kügelchen nicht ewig weiter in die Luft fliegen, es gebe ja nichts, das sie stoppt. Dasselbe Problem hatte sie gestern schon, als sie mit der Klasse auf dem Eisfeld waren. Sie ist übers Eis geschliffen, aber bereits in der Mitte des Feldes stehen geblieben. Eis ist doch glatt und sie kann nicht verstehen, weshalb sie nicht ewig weiter fahren konnte. Kannst du ihr erklären, weshalb die Kügelchen nicht ewig weiter fliegen und sie irgendwann stehen bleibt auf dem Eis? Versuche mit eigenen Worten zu erklären. Definition Reibung Reibungskräfte 1. Reibung tritt bei unterschiedlichen Vorgängen auf. Welche Art von Reibung liegt jeweils vor? Zeichne jeweils ein, in welcher Richtung die Reibungskraft wirkt! a) Ein stehender b) Ein Skifahrer gleitet c) Eine Radfahrerin rollt 25 Schlitten soll in Bewegung gesetzt werden. auf Schnee entlang. die Straße entlang. 2. eibung ist teils erwünscht, teils unerwünscht. Trage in die Übersicht Beispiele für erwünschte und für unerwünschte Reibung ein! erwünschte Reibung unerwünschte Reibung Aufgabe Bestimme für einen Körper, der auf einer horizontalen Unterlage liegt, die Haftreibungskraft und die Gleitreibungskraft! Vergleiche die Kräfte! Durchführung: Haftreibungskraft Gleitreibungskraft Der Körper liegt auf der Unterlage. Du ziehst vorsichtig am Federkraftmesser, bis der Körper Du ziehst den Körper möglichst gleichmäßig am Federkraftmesser über die Unterlage. Die angezeigte 26 gerade noch liegen bleibt. Die Haftreibungskraft ist die Kraft, die unmittelbar vor Beginn der Bewegung des Körpers angezeigt wird Kraft ist die Gleitreibungskraft. Auswertung: FHaft FGleit Vergleich der Kräfte: Notizen: 27 Rechnen mit Kräften Kräfte sind sehr vielseitig und können zeichnerisch dargestellt und miteinander verrechnet werden. Ziehen beispielsweise 2 Personen an einem Seil, können die Kräfte zusammengezählt werden. Kräfte wirken immer in eine bestimmte Richtung. Diese Richtung wird mit einem Pfeil angegeben. Derjenige Punkt, an welchem die Kraft ansetzt (z.B. beim Seilziehen ist dies der Punkt, an welchem du das Seil hältst und ziehst), wird Angriffspunkt genannt. Je nachdem wie gross die Kraft ist, die wirkt, wird der Pfeil kürzer oder länger gezeichnet, grössere Pfeile zeigen eine grössere Kraft, kürzere eine kleinere Kraft. Grösse der Kraft Angriffspun kt der Kraft Richtung der Kraft Kräfte zeichnen Stell dir vor, du nimmst an einem Seilziehwettbewerb teil. Beide Gruppen bestehen aus 3 Personen und unglücklicherweise sind beide Gruppen ganz genau gleich stark. Versuche diese Situation zu skizzieren und Grösse, Angriffspunkt und Richtung der Kräfte einzuzeichnen. Zeichne im Bild nebenan einen Pfeil für die Kraft ein. Der Angriffspunkt, die Richtung und die Grösse soll ersichtlich sein. 28 Erkläre kurz in Worten wo der Angriffspunkt liegt. Zeichne in das Bild die wirkenden Kräfte ein. Wie ist es möglich, dass der Hund den Mann zieht? Addition von Kräften Stell dir vor, du hast viel eingekauft und musst eine schwere Tasche nach Hause tragen. Auf dem Weg triffst du einen Freund von dir, der dir hilft, die Tasche zu tragen. Es wird leichter für dich! Es ist völlig klar, dass sich ein schwerer Gegenstand von mehreren Personen leichter tragen lässt, als alleine. Warum ist das aber so? Versuche eine Erklärung zu finden. Die Strichworte „Gewichtskraft, Gesamtkraft und „Teilkraft sollten dir dabei helfen. 29 Addition: Zwei Kräfte, die in die gleiche wirken, werden zu einer addiert. Der Gegenstand hat immer die gleiche Gewichtskraft. Wenn mehrere Personen ihn anheben, so wirken mehr Teilkräfte. Da die Teilkräfte in die gleiche Richtung wirken, so können sie zu einer Gesamtkraft addiert werden. Ist die Gesamtkraft grösser wie die Gewichtskraft, kann der Gegenstand angehoben werden. Konstruktion der Gesamtkraft. Kräfte können in einem Parallelogramm dargestellt werden. F1 und F2 sind die beiden Kräfte (z.B. du und dein Freund, die die Tasche tragen aus obigen Beispiel) und Fr ist die Gesamtkraft. Die Gesamtkraft lässt sich durch das Verschieben des einen Pfeils in Richtung der Spitze des 2. Pfeils finden. Aufgabe Kräfte Zwei Schlittenhunde sind an einem Schlitten befestigt und ziehen diesen über die verschneiten Felder in Alaska. Die Hunde sind beide am gleichen Ort am Schlitten angebunden und ziehen unter einem Winkel von 30 in die gleiche Richtung. Der eine, etwas kleinere Hund zieht mit 40N, der andere Hund mit 60N. Konstruiere das Kräfteparallelogramm 30 Ermittle durch die Konstruktion die Kraft, mit welcher beide Hunde zusammen den Schlitten beschleunigen. Tipp: 10N 1cm. Zeichnung inkl. Rechnung Experiment Kräfteaddition Versuchsbeschrieb Schliesst euch in Dreiergruppen zusammen. Eine Person setzt sich auf den Boden oder auf einen Stuhl mit Rädern, während die anderen beiden versuchen, diese Person durch den Raum zu ziehen. Verändert die Kraftrichtungen so oft, bis ihr die idealen Richtungen F1 und F2 gefunden habt (Variationen in Zugrichtung, Winkel, Steigung, etc.). Welche Richtungen funktionieren nicht so gut? Versuchsskizze 31 Beobachtung Auswertung Die schiefe Ebene Experiment Durchführung: 1. Welche Gewichtskraft haben die Gewichte? Material: Miss diese mit der Federwaage und notiere Federwaage sie dir. Nimm 3 verschiedene Gewichte. Hebe Gewichte sie jeweils mit der Federwaage auf die Wagen Erhöhung. Schiefe 2. Miss die Gewichtskraft des Wagens und Ebene zieh diese Zahl jeweils von deinen Messergebnissen ab. 3. Lege nun die verschiedenen Gewichte auf den Wagen und zieh den Wagen über die schiefe Ebene auf die Erhöhung rauf. Welche Zahlen misst du jetzt? Haben diese sich verändert? Weshalb? 32 Gewicht 1 Gewicht 2 Gewicht 3 Direktes Anheben Schiefe Ebene Beobachtung: Erklärung: 33