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Physik fĂźr alle

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2. Klasse

Monyk, Kaiblinger

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www.olympe.at

SBN: 165.151

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Physik fĂźr alle

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2. Klasse

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Christian Monyk, Gabriele Kaiblinger

Dieses Buch ist laut Bescheid des Bundesministeriums für Unterricht, Kunst und Kultur vom 1. Juli 2013 (GZ BMUKK-5.000/0025-B/8/2012) gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86 und gemäß den geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch in Neuen Mittelschulen und an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe – für die 2. Klasse im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt.

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Schwierige und neue Wörter sind im Text orange hervorgehoben und werden in der Spalte daneben erklärt.

Wichtige Begriffe sind im Text dick hervorgehoben, du siehst also mit einem Blick, was in jedem Kapitel besonders wichtig ist.

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Aufgaben und Arbeitsaufträge, die du während des Unterrichts – alleine oder mit der ganzen Klasse – lösen kannst, sind in der seitlichen Spalte angegeben.

Wichtige Merksätze, physikalische Gesetze und Merktexte sind im Text gesondert hervorgehoben.

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Am Ende jedes Kapitels sind die wichtigsten Punkte in einem kurzen Text zusammengefasst. Du kannst also noch einmal wiederholen, was in dem Kapitel vorgekommen ist.

Nun geht’s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Unter diesem Motto findest du an vielen Stellen in diesem Buch Arbeitsblätter, die du ausfüllen kannst. Du wiederholst damit das, was du zuvor gelernt hast.

Die Aufgaben sind mit Sternchen gekennzeichnet. Je mehr Sternchen du findest, desto schwieriger ist die Aufgabe. Du kannst diese Arbeitsblätter auch heraustrennen und in deiner Portfolio-Mappe sammeln.

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Unter dem Titel „Physik-Labor“ findest du nach den Hauptkapiteln des Buches Vorschläge für Experimente, die du mit einfachen Mitteln selbst durchführen kannst.

Nach den Hauptkapiteln des Buches haben wir für dich auch spannende Geschichten zum jeweiligen Thema, das du zuvor kennen gelernt hast, zusammengestellt. In Form einer Zeitung erzählen wir dir interessante Geschichten. Wenn dich dieses Thema besonders interessiert, dann kannst du darüber mehr in den Büchern erfahren, die wir dir dort vorschlagen.

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Oly

Umschlagbilder:

Schulbuchnummer: 165.151

© Olympe Verlag GmbH, Wien, 2013 Alle Rechte vorbehalten Vervielfältigung jeder Art gesetzlich verboten

Kopierverbot: Dieses Werk ist für den Einsatz im Schulunterricht bestimmt. Laut Urheberrecht in der Fassung der Urheberrechtsgesetz-Novelle 2003 (§ 43 (6)) darf es weder ganz noch in Teilen auch für den Einsatz im Schulunterricht nicht kopiert oder vervielfältigt werden.

2. überarbeitete Auflage (2018)

Lektorat: Mag. Krista Satzke, Wien

Umschlaggestaltung, Satz, Layout: Raoul Krischanitz, Wien, transmitterdesign.com Grafik: Raoul Krischanitz, transmitterdesign.com Druck, Bindung: Druckerei Berger, Horn ISBN: 978-3-902779-21-2

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WAS IST PHYSIK? 1. Das alles ist Physik 2. Von der Physik zur Technik

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Inhaltsverzeichnis 5 7

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MAGNETISMUS 3. Was ist Magnetismus?

4. Magnete sind Dipole PHYSIK-LABOR: Experimente mit Magneten PHYSIK-NEWS: Magnetismus

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MECHANIK 5. Masse, Kraft und Gewicht 6. Dichte und spezifisches Gewicht 7. Kräfte und ihre Wirkung 8. In Bewegung 9. Arbeit, Energie und Leistung 10. Einfache Maschinen PHYSIK-LABOR: Experimente zur Mechanik PHYSIK-NEWS: Mechanik

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UNSERE WELT BESTEHT AUS TEILCHEN 11. Fest, flüssig oder gasförmig 12. Wärme und Temperatur 13. Wärme ist Energie 14. Der Druck 15. Der Druck in Flüssigkeiten 16. Auftrieb in Flüssigkeiten 17. Druck in Gasen – der Luftdruck 18. Auftrieb in Gasen – das Fliegen 19. Das Fliegen: Schwerer als Luft PHYSIK-LABOR: Experimente mit Flüssigkeiten und Gasen PHYSIK-NEWS: Die Welt der Teilchen

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AKUSTIK 20. Ein Ton entsteht 21. Aus Tönen wird Musik 22. Die Physik des Schalls PHYSIK-LABOR: Experimente zur Akustik PHYSIK-NEWS: Akustik

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ANHANG Großes Jahres-Memory Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen?

Protokoll verfassen – leicht gemacht Spannende Experimente Spannende Experimente: Lösungen Stichwortverzeichnis Bildquellen

Was ist Physik?

1. DAS ALLES IST PHYSIK

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Die Physik ist eine Wissenschaft, die sich mit unbelebten Vorgängen in der Natur beschäftigt. Sie gehört daher zu den Naturwissenschaften. Andere Naturwissenschaften, die du schon kennst, sind z. B. Biologie oder Geografie.

Die Themen, mit denen sich die Physik beschäftigt, sind sehr vielfältig. In den nächsten drei Jahren wirst du folgende Teilbereiche der Physik kennen lernen:

ferromagnetisch: Bestimmte Stoffe wie Eisen, Nickel oder Kobalt werden von Magneten angezogen.

Optik

Wärmelehre

Was ist überhaupt Wärme und was ist die Temperatur? Wie misst man sie und womit? Im Physikunterricht findest du die Antworten auf diese Fragen.

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Hast du dich schon einmal gefragt, was Licht ist, wie es entsteht und wie es sich ausbreitet? Weißt du, was Farben sind?

Die Optik beschäftigt sich mit all diesen Fragen.

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anziehen: herbeiziehen

Physik

Akustik

Dieser Bereich der Physik beschäftigt sich mit Tönen und Geräuschen, wie sie entstehen und wie sie sich ausbreiten.

Magnetismus

Weißt du, warum ein Magnet Eisen anzieht? Hier erfährst du mehr über die Beziehung zwischen Magneten und so genannten ferromagnetischen Stoffen wie Eisen.

Atomphysik

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Hast du gewusst, dass unsere ganze Welt aus kleinsten Teilchen besteht?

Mechanik

Hier lernst du etwas darüber, wie Gegenstände sich bewegen und wie sie sich dabei verhalten.

Elektrizitätslehre Der elektrische Strom spielt auch in deinem Alltag eine große Rolle. Hier erfährst du Näheres dazu.

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Was ist Physik?

Die Anfänge der Naturwissenschaften

Seit vielen tausend Jahren haben die Menschen die Natur betrachtet und versucht, sie zu verstehen. So beobachteten die Babylonier schon vor 3 500 Jahren den Lauf von Sonne und Mond und konnten vorhersagen, wann es zu einer Mondfinsternis kommen würde.

Vor etwa 2 200 Jahren machten die Griechen dann große Fortschritte in den Naturwissenschaften.

Griechische Wissenschaftler wie Archimedes setzten erstmals Experimente ein und untersuchten das Verhalten von Flüssigkeiten und von Luft. Sie nutzten ihr neues Wissen auch, um Geräte und einfache Maschinen wie Hebel und Schrauben zu bauen. Damit konnten sie Verbesserungen beim Bewässern von Feldern oder beim Errichten von Archimedische Schraube: Mit ihrer Hilfe kann Gebäuden erreichen.

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Mondfinsternis: Die Erde befindet sich genau zwischen der Sonne und dem Mond, sodass der Schatten der Erde auf den Mond fällt.

Wissenschaftler in der Antike

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Babylon: antike Stadt im heutigen Irak

Der Mensch lebt in der Natur. Schon unsere Vorfahren erlebten Blitz und Donner, Regen und Trockenheit oder Tag und Nacht, wussten aber nicht, was die Ursachen dafür sind.

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Was heißt „Physik“?

Der Begriff „Physik“ stammt vom griechischen Wort „physiké“ ab. Dieses bedeutet „die Natur betreffend“.

man Wasser nach oben befördern.

Die Wissenschaft in der Neuzeit

Archimedes

Im 17. Jh. beschäftigten sich Wissenschaftler in Europa vor allem mit der Mechanik und der Optik. Einer der bedeutendsten Wissenschaftler dieser Zeit war der Engländer Isaac Newton.

Angeblich saß er unter einem Baum und beobachtete, wie ein Apfel zu Boden fiel. Newton schloss daraus, dass die Schwerkraft der Erde alle Gegenstände anzieht. Er entdeckte auch, wie sich Körper bewegen, und schuf damit die Grundlagen für die Mechanik.

Experiment: wissenschaftlicher Versuch

Mit der Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jh. entstand die Wärmelehre als eigener Bereich der Physik.

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Jh.: Jahrhundert

Newton unter dem Apfelbaum

Bereits seit der Antike beobachten Wissenschaftler die Natur. Die Teilbereiche der Physik sind die Optik, die Wärmelehre, die Akustik, die Atomphysik, der Magnetismus, die Mechanik sowie die Elektrizitätslehre.

Im 19. Jh. entdeckte man den elektrischen Strom und die Physiker und Physikerinnen wandten sich der Elektrizitätslehre zu.

Im 20. Jh. fand man heraus, dass alle Stoffe aus sehr kleinen Teilchen aufgebaut sind, die man Atome nannte. Die Physiker und Physikerinnen untersuchten diese Teilchen, ihre Eigenschaften und ihr Verhalten.

Mit der Zeit verstanden die Physiker/Physikerinnen immer besser, wie unsere Welt aufgebaut ist. Ihre Arbeit bildete somit die Grundlage für zahlreiche technische Entwicklungen. Viele Geräte, die du heute täglich verwendest, würde es ohne die Forschung von Physikern und Physikerinnen nicht geben. Ohne sie gäbe es heute keine elektrische Beleuchtung oder Autos, aber auch keine Computer oder Handys.

Was ist Physik?

2. VON DER PHYSIK ZUR TECHNIK Beobachtung Physiker und Physikerinnen beobachten etwas Neues, das sie bisher noch nie gesehen haben.

Hypothese

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Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen?

Sie fragen: „Warum ist das so?“, und suchen eine mögliche Erklärung.

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Experiment Sie überlegen, wie sie ihre Vermutung überprüfen könnten.

Das Ergebnis des Experiments ist anders als erwartet, die Hypothese muss geändert werden.

Physiker und Physikerinnen benötigen auch viel Geduld und Ausdauer!

Meist muss ein Experiment sehr oft wiederholt werden, bis es das erwartete Ergebnis bringt. Dafür muss das Experiment immer wieder ein wenig verändert werden. Der amerikanische Erfinder Thomas Alva Edison benötigte mehrere tausend Experimente, bis er endlich eine funktionierende Glühbirne entwickelt hatte.

Das Experiment bringt das erwartete Ergebnis, die Hypothese ist vermutlich richtig.

Verallgemeinerung

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Auch andere Beobachtungen können nun erklärt werden.

Sobald die Physiker und Physikerinnen allgemeine Erklärungen für ihre Beobachtungen gefunden haben, können diese zu technischen Weiterentwicklungen führen, die den Menschen großen Nutzen bringen.

Welchen Nutzen haben wir von der Physik?

Eine der ersten Glühbirnen

Magnetismus

Sicher hast du schon einmal eine Kreditkarte gesehen. Mit ihr kann man ohne Bargeld bezahlen. Jede Kreditkarte enthält einen Magnetstreifen, der aus sehr vielen winzig kleinen Magneten besteht. Auf dem Magnetstreifen sind alle Magnet wichtigen Informationen gespeichert.

Kreditkarten Erst mit dem Magnetstreifen wird das Bezahlen mit der Karte möglich. Hätten Physiker und Physikerinnen nicht schon seit vielen hundert Jahren untersucht, wie ein Magnet funktioniert, gäbe es heute keine Kreditkarten.

Hypothese: Annahme, Vermutung

Elektrizitätslehre

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Der wichtigste Bauteil eines Computers ist der Mikroprozessor. Er besteht aus vielen winzigen Schaltern, die so klein sind, dass man sie mit freiem Auge gar nicht mehr sehen kann. Einer der ersten Vorläufer solcher Mikroprozessoren wurde um 1955 von Wissenschaftlern an der Technischen Universität Wien gebaut. Er war etwa 3 m breit, 2,5 m hoch und wog so viel wie ein Auto. Er konnte nur Zahlen zusammenzählen und wurde von seinem Erbauer, dem Wissenschaftler Heinz Zemanek, „Mailüfterl“ genannt.

Dieser Urcomputer kann heute im Technischen Museum in Wien besichtigt werden.

Mikroprozessor

Mailüfterl „Wenn es auch nicht die rasante Rechengeschwindigkeit amerikanischer Modelle erreichen kann, die „Wirbelwind“ oder „Taifun“ heißen, so wird es doch für ein Wiener „Mailüfterl“ reichen.“ (Heinz Zemanek)

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Was ist Physik?

Mechanik

Wärmelehre

Optik

Aufbau eines wärmeisolierenden Stoffes

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Weißt du, wie das Internet funktioniert? Alles, was auf deinen Computer kommt, wird zuvor als Folge von Lichtblitzen in Glasfaserleitungen transportiert, teilweise über viele tausend Kilometer. Ohne die Forschung, die Physiker und Physikerinnen seit langer Zeit auf dem Gebiet der Optik durchführen, wäre diese Datenübertragung nicht möglich.

Substanz: Stoff, aus dem etwas besteht Nobelpreis: Preis, der jährlich an die besten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen verliehen wird

Fledermaus

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Wenn es im Winter kalt ist, bist du sicherlich froh, wenn du eine warme Jacke anhast. Aber warum frierst du in der Jacke nicht? Physiker und Physikerinnen untersuchen seit langem, welche Materialien die Wärme gut leiten und welche nicht.

Sie haben auch erforscht, wie Kleidung hergestellt werden muss, damit sie besonders gut warm hält.

Le Pont de Normandie

Glasfaser

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Betrachte die Brücke auf dem Bild! Sie wird „Le Pont de Normandie“ genannt und befindet sich in Frankreich. Sie ist eine der größten Brücken in Europa. Eine solche Brücke zu erbauen, ist eine sehr schwierige Angelegenheit. Es ist nur möglich, weil Physiker und Physikerinnen seit vielen Jahren erforschen, wie das Gewicht eines solchen Bauwerkes auf die Stützpfeiler übertragen werden kann und welche Belastungen verschiedene Materialien aushalten.

Akustik

Heute können Ärzte auf die Ultraschalluntersuchung nicht mehr verzichten. Mit ihr kann man Bilder aus dem Inneren des Körpers machen. Vielleicht hast du schon einmal so ein Bild eines Babys im Bauch seiner Mutter gesehen. Wissenschaftler haben untersucht, wie sich Fledermäuse in der Nacht beim Fliegen zurechtfinden. Dabei haben sie den Ultraschall entdeckt, der für diese medizinische Untersuchungsmethode angewandt wird.

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Ultraschallaufnahme

Physiker und Physikerinnen führen Experimente durch, um ihre Hypothesen zu überprüfen. Wenn sie allgemeine Erklärungen für ihre Beobachtungen gefunden haben, können daraus neue Techniken entwickelt werden.

Ultraschall-Echograf

Atomphysik Eine andere medizinische Untersuchungsmethode ist der PET-Scan. Dabei wird dem Patienten eine radioaktive Substanz verabreicht.

Die Strahlung, die diese Substanz abgibt, wird aufgezeichnet und liefert Bilder aus dem Körperinneren. Die Radioaktivität wurde vom französischen Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckt, der dafür 1903 den Nobelpreis in Physik erhielt.

PET-Scan

Was ist Physik?

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Die Teilbereiche der Physik – Welches Bild gehört in welches Fotoalbum? Ordne die Bilder richtig zu, indem du die Zahlen in das richtige Album schreibst! %%

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Optik

Wärmelehre

Elektrizitätslehre

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Atomphysik

Akustik

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Mechanik

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Ein Leben ohne elektrischen Strom ist heute kaum noch vorstellbar.

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K. Nachdem Otto Lilienthal den Flug der Vögel beobachtet hatte, baute er einen Flugapparat, mit dem er 1891 als erster Mensch flog.

Mobile Kräne können heute Gegenstände heben, die so schwer wie 1 000 Autos sind.

Moderne Hörgeräte sind so klein, dass man sie direkt ins Ohr stecken kann. So sind sie von außen kaum zu sehen.

E. Im Jahr 1938 entdeckte der deutsche Physiker Otto Hahn, dass man die Kerne von Atomen spalten kann.

Mit dem HubbleWeltraumteleskop werden weit entfernte Himmelskörper vom Weltraum aus beobachtet.

M. Früher verwendeten die Menschen Hörrohre, um besser hören zu können.

Beim MRT werden mit Hilfe eines riesigen Magneten Bilder aus dem Körperinneren erzeugt.

E. Im Jahr 1780 entdeckte der italienische Arzt Luigi Galvani an Froschschenkeln den elektrischen Stromkreis.

Mit Atomenergie angetriebene Schiffe zerbrechen die Eisdecke und machen den Weg frei für andere Schiffe.

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Z. Schon vor vielen hundert Jahren benutzte man die Tretmühle, um schwere Gegenstände zu heben.

„Spaceship One“ erreichte 2004 als erstes Flugzeug eine Flughöhe von mehr als 100 km.

N. Die Nadel des Kompasses zeigt immer nach Norden. Damit konnten Seefahrer leichter ihren Weg finden.

LÖSUNGSWORT:

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A. Mit dem Fernrohr, das Galileo Galilei im Jahr 1609 baute, entdeckte er die 4 größten Monde des Planeten Jupiter.

… und heute!

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Früher …

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2) Physik gestern und heute - Auch technische Geräte, die du heute kennst, haben klein angefangen. Finde heraus, welche moderne Technologie wie begonnen hat, und schreibe die richtigen Buchstaben in die Kreise! Sie ergeben von oben nach unten gelesen ein Lösungswort. %%%

Magnetismus

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3. WAS IST MAGNETISMUS? venezianisch: aus Venedig, einer Stadt in Italien, stammend

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Vor etwa 700 Jahren reiste der venezianische Kaufmannssohn Marco Polo gemeinsam mit seinem Vater und seinem Onkel in das damals unbekannte Land China. Als er nach mehr als 20 Jahren wieder zurückkam, berichtete er:

Versuch

Führt das Experiment „Herstellen eines Magneten“ auf S. 126 durch!

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Die chinesischen Seefahrer haben eine besondere Methode, um sich auf dem Meer zurechtzufinden. Sie verwenden dazu eine geheimnisvolle Nadel mit magischen Kräften. Diese ist auf einem kleinen Stück Holz befestigt, das im Wasser schwimmt.

Die Nadel zeigt immer in die gleiche Richtung, egal wie sich das Schiff bewegt.

Was war so besonders an der magischen Nadel, von der Marco Polo berichtete?

Mineral: fester Körper mit regelmäßigem Aufbau

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Es gibt ein natürlich vorkommendes Mineral, das Magnetit genannt wird. Dieses Mineral hat eine besondere Eigenschaft: Es kann kleine Eisenstückchen anziehen und festhalten. Diese Eigenschaft nennt man Magnetismus. Dieser Magnetismus kann auch auf Gegenstände aus Eisen übertragen werden. Diese werden dann ebenfalls magnetisch. Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren.

Körper, die andere magnetisch anziehen, nennt man Magnete. Dieses Bild zeigt dir einen Magnet und Eisenspäne. Die Späne ordnen sich rund um den Magnet an. Die Anziehung an den beiden Enden des Magneten ist am stärksten. Je weiter die Späne vom Magneten entfernt sind, desto schwächer werden sie angezogen. Jeden Magnet umgibt ein Magnetfeld, in dem die magnetische Anziehungskraft wirkt. Die Eisenspäne – aber auch andere Magnete – richten sich nach diesem Magnetfeld aus.

Magnet mit Eisenspänen

Magnetit Span: kleines Stückchen, das von einem größeren Stück abgeschnitten oder abgeschliffen worden ist Kurs halten: mit einem Fahrzeug die gewünschte Richtung einhalten

Die Nadel, die Marco Polo gesehen hat, war magnetisch. Aber warum zeigt sie immer in die gleiche Richtung?

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Auch die Erde ist ein großer Magnet. Ihr Kern besteht zum Großteil aus Eisen, das ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Die Nadel richtet sich nach diesem Magnetfeld aus und zeigt immer nach Norden. Auf diese Weise haben die chinesischen Seefahrer ihren Kurs halten können. Ein Instrument, das so eine Nadel verwendet, wird Kompass genannt. Bei heutigen Kompassen befindet sich die Nadel in einem geschlossenen Behälter. Außerdem haben Kompasse eine Windrose, auf der die Himmelsrichtungen abgelesen werden können.

Kompass

Magnetfeld der Erde

Die Himmelsrichtungen und die Windrose hast du schon in Geografie kennengelernt.

Wie heißen die Himmelsrichtungen?

Eisen wird von einem Magneten angezogen.

Rund um einen Magnet gibt es ein Magnetfeld.

Auch die Erde ist ein großer Magnet. Die Magnetnadel eines Kompasses zeigt daher immer nach Norden.

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Magnetismus

4. MAGNETE SIND DIPOLE

ferro: kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „Eisen“ gleichnamig: mit dem gleichen Namen (z. B. Nordpol und Nordpol)

Man unterscheidet zwei Arten von Magneten: den Permanentmagnet (Dauermagnet) und den Elektromagnet. Ein Permanentmagnet bleibt immer magnetisch, während ein Elektromagnet nur dann magnetisch ist, wenn elektrischer Strom durch ihn hindurchfließt. Vorläufig wollen wir uns nur den Permanentmagnet genauer ansehen, über Elektromagnete wirst du in der 4. Klasse mehr erfahren.

Jeder Permanentmagnet hat zwei Pole. Deshalb nennt man ihn auch Dipol. Die beiden Pole heißen Nordpol und Südpol. Wie du beim Kompass bereits gehört hast, richtet sich ein Magnet, der sich frei bewegen kann, immer so aus, dass ein Ende nach Norden zeigt. Dieses Ende ist der Nordpol des Magneten, das andere Ende zeigt nach Süden und ist daher der Südpol.

Jeder Magnet zieht magnetische Stoffe wie Eisen, Nickel oder Kobalt an. Diese Materialien heißen ferromagnetische Stoffe. Aber auch zwischen zwei Magneten wirken Kräfte. Diese Kräfte können sowohl anziehend als auch abstoßend sein. Gleichnamige Pole stoßen einander ab und ungleichnamige Pole ziehen einander an.

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ungleichnamig: nicht mit dem gleichen Namen (z. B. Nordpol und Südpol)

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Dipol: „di“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet zwei. Dipol heißt also wörtlich übersetzt „Zweipol“.

Arten von Magneten

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permanent: dauerhaft

Haben die Pole Farben?

Die Magnete, die du im Physikunterricht kennenlernen wirst, sind zweifärbig. Damit du besser siehst, was geschieht, sind die Pole unterschiedlich markiert. Im Allgemeinen ist der Nordpol rot und der Südpol grün.

wechselseitig: gegenseitig

Anziehende und abstoßende Kräfte zwischen Magneten

Gleichnamige Pole stoßen einander ab.

Ungleichnamige Pole ziehen einander an.

Je nachdem, aus welchem Material Magnete bestehen und wie sie magnetisiert worden sind, können die Kräfte stärker oder schwächer sein. Außerdem hängt die anziehende oder abstoßende Kraft von der Entfernung zwischen den Magneten ab. Je näher sie beieinander sind, desto stärker ist die Kraft.

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schweben: sich frei in der Luft halten

Zwischen den Polen von Magneten wirken also wechselseitig Kräfte. Da diese Kräfte immer gelten, sprechen Physiker und Physikerinnen von einem physikalischen Gesetz, in diesem Fall vom Wechselwirkungsgesetz:

Versuch

Führt das Experiment „Das magnetische Wechselwirkungsgesetz“ auf S. 126 durch!

Untersuche, welche Gegenstände wie stark von deinem Magneten angezogen werden! Berichte darüber in der Klasse und zeige deinen Mitschülern, was du herausgefunden hast!

Schwebender Magnet: Durch die abstoßenden Kräfte wird der obere Ringmagnet zum Schweben gebracht.

Magnetismus

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Formen von Magneten

Stabmagnet mit Eisenspänen

Feldlinien rund um einen Stabmagnet

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Die einfachste Form eines Magneten ist der Stabmagnet. Bei diesem wirkt die stärkste magnetische Kraft an den Enden. Das erkennst du daran, dass die meisten Eisenspäne dorthin wandern. Entlang des Magneten richten sich die Späne nach dem Magnetfeld aus. Sie bilden dabei Linien, die Magnetlinien oder Feldlinien genannt werden.

Feldlinien zwischen 2 Stabmagneten bei Anziehung und Abstoßung

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Der Hufeisenmagnet ist ein gebogener Stabmagnet. Die beiden Pole liegen dabei nebeneinander. Das Besondere am Hufeisenmagneten ist, dass zwischen den beiden Hälften des Magneten ein sehr gleichmäßiges Magnetfeld besteht, wie du an den Magnetlinien erkennen kannst.

Hufeisenmagnete

Feldlinien rund um einen Hufeisenmagnet

Beim Ringmagneten befinden sich die beiden Pole an der Ober- und Unterseite eines Ringes. Der Topfmagnet ist ein scheibenförmiger Magnet.

Ring- und Topfmagnete

Wie lagert man Magnete richtig?

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Magnete sollten immer so gelagert werden, dass ihre Feldlinien geschlossen sind. So bleibt der Magnetismus erhalten. Wenn du zwei Magnete hast, dann bewahre sie so auf, dass die ungleichnamigen Pole aneinander liegen. Bei einem einzelnen Hufeisenmagneten kann man das auch durch das Verbinden der beiden Pole mit einer Eisenplatte erreichen.

Lagerung von Magneten

Hufeisen: U-förmiger Metallteil zum Schutz von Pferdehufen

Pferdehuf mit Hufeisen

ACHTUNG beim Arbeiten mit Magneten!

Computer, Handys und andere elektronische Geräte enthalten Bauteile, auf denen wichtige Daten magnetisch gespeichert werden. Wenn du mit einem starken Magneten zu nahe an so ein Gerät herankommst, können diese Daten verloren gehen und das Gerät beschädigt werden.

lagern: für eine längere Zeit aufbewahren

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Magnetismus Wo werden Magnete verwendet?

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Häufig werden Magnete dazu verwendet, um Dinge festzuhalten. Du hast sicherlich schon solche Magnete gesehen, mit denen z. B. Zettel an der Tür eines Kühlschranks befestigt werden.

Aber auch im Schulunterricht findest du manchmal Magnettafeln, auf denen man Zeichnungen oder Plakate mit Hilfe von Magneten präsentieren kann. Diese Magnete bezeichnet man ganz allgemein als Haftmagnete.

Haftmagnet zum Festhalten von Messern in der Küche Magnete an einem Kühlschrank

Magnete in Lautsprechern sind notwendig, um Töne zu erzeugen. Ärzte verwenden auch Magnete, um Metallteile aus Wunden zu entfernen. Auch zum Aufheben von Büroklammern oder Nadeln vom Boden sind Magnete sehr hilfreich.

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Magnete und Schmuck Kleine Magnete werden häufig auch verwendet, um Halsketten oder Armbänder zu verschließen. Auch als Verschlüsse von Damenhandtaschen findet man sie oft.

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haften: von etwas festgehalten werden

Lautsprecher

Wenn du deine Mahlzeit in einem Mikrowellenherd wärmst, wird eigentlich nur das Wasser in der Speise warm. Diese Erwärmung geschieht durch Mikrowellen, die mit einem Magnetron erzeugt werden. Dazu ist ein starker Magnet notwendig. Ohne Magnete würde dein Essen also nicht warm werden.

Überlege: Wo gibt es bei dir zu Hause Magnete? Erstelle eine Liste und vergleiche sie mit den Listen deiner Mitschüler und Mitschülerinnen!

Magnetron

Magnete findest du auch bei vielen Spielen. Du kannst sie verwenden, um Türme zu bauen oder um die Waggons einer Spielzeugeisenbahn aneinander zu befestigen.

Sicher kennst du auch Reisespiele, bei denen die Spielfiguren mit Magneten festgehalten werden, sodass sie beim Autofahren nicht verrutschen können.

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Jeder Magnet hat 2 Pole, einen Nord- und einen Südpol und wird daher Dipol genannt. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen einander an.

Ferromagnetische Stoffe sind z. B. Eisen, Nickel und Kobalt. Aus ihnen können Permanentmagnete hergestellt werden. Magnete gibt es in verschiedenen Formen: Stab-, Hufeisen-, Ring- und Topfmagnete.

Magnetspielzeug

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Magnetismus – Professor Zweistein schreibt für die Schülerzeitung einen Artikel über Elementarmagnete.

Einige der Wörter im Artikel sind leider kaum zu lesen. Hilf ihm und korrigiere seinen Artikel! Notiere deshalb die unleserlichen Wörter richtig noch einmal auf den Zettel daneben! %%%%

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Jedes ferromagnetische Material kann man sich so vorstellen, als würde es aus vielen winzigen Ma n:|en bestehen, die man Elementarmagnete nennt. Jeder dieser winzigen Magnete hat nur ein ganz schwaches ageteld.

Normalerweise sind die Elementarmagnete ungeordnet, das heißt, dass jeder in eine andere R•chun zeigt. Daher hat das Material nach außen hin kein Magnetfeld und es kann Stoffe aus Es n nicht anziehen.

Wenn man mit einem Magneten über das Material streicht, ichen sich die Elementarmagnete nach dem Magnetfeld des Magneten aus. Alle Elmetamanee zeigen dann in dieselbe Richtung und die Magnetfelder der einzelnen Elementarmagnete wirken gemeinsam. Dadurch wird das atria dann selbst zu einem Magneten. Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren.

2) Magnetisch oder nicht magnetisch - In dieser Wortschlange sind Gegenstände versteckt, die magnetisch sind, und solche, die nicht magnetisch sind. Male die Namen der Gegenstände in folgenden Farben an! %% magnetische Gegenstände nicht magnetische Gegenstände

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N Ä L H W E R U N BÜR E M A R D OK MM STSEM E LA L K A P R N Ü A K RH E F S C E S EMNEH CSLHÜKL

16 Magnetismus

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Eine magnetisch verschlüsselte Nachricht – Dieser Text ist magnetisch verschlüsselt. Oberhalb und unterhalb eines jeden Buchstabens befinden sich Stabmagnete. Die Magnete, die einander anziehen, verdecken die Buchstaben. Übrig bleiben nur jene Buchstaben, bei denen die Magnete einander abstoßen. Entschlüssle den Text und schreib ihn darunter auf die Zeilen! %%%%

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4) Welche Magnetlinien gehören hierher? Zeichne bei diesen Abbildungen die Magnetlinien ein! %%

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5) Millionen-Fragen „Magnete” – Kreuze die richtigen Antworten an! %% Welcher dieser Stoffe ist ferromagnetisch? – 100 000 € Kupfer

Eisen

Wasser

Holz Millionär

Wie nennt man einen Permanentmagnet noch? – 500 000 € Monopol

Doppelpol

Dipol

Zweipol

Feldlinien

Wiesenlinien

Ackerlinien

Gartenlinien

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Wonach richten sich Eisenspäne in einem Magnetfeld aus? – 1 000 000 €

PHYSIK-LABOR: Magnetismus

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Experiment 1: Wie stark ist dein Magnet?

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Ziel des Experiments: Vergleiche die Stärke verschiedener Magnete!

Du brauchst: verschiedene Magnete * Büroklammern

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Ablauf: ƒ Bilde zwei unterschiedlich hohe Bücherstapel (z. B. 5 und 10 cm hoch)! ƒ Streue die Büroklammern neben die Bücher! ƒ Halte der Reihe nach deine Magnete seitlich neben die Bücherstapel! Sie sollen sich so weit über den Büroklammern befinden, wie es der Höhe des jeweiligen Bücherstapels entspricht. ƒ Beobachte, wie viele Büroklammern von den Magneten angezogen werden!

Höhe 1

Höhe 2

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Protokoll: Führe ein Protokoll! Notiere, welcher Magnet bei welcher Höhe wie viele Büroklammern anzieht! Hier ein Beispiel:

Magnet 1 (Stab-Magnet 1)

Magnet 2 (Stab-Magnet 2)

Magnet 3 (HufeisenMagnet)

Magnet 4 (Ringmagnet)

Magnet 5 (Topfmagnet)

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Büroklammern

Experiment 2: Büroklammer im Wasser

Ziel des Experiments: Hole eine Büroklammer aus dem Wasser, ohne dass der Magnet nass wird!

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Du brauchst: eine mit Wasser gefüllte Kunststoff- oder Glaswanne * Magnet * Büroklammer Ablauf: ƒ Leg die Büroklammer in die Mitte der Wanne! ƒ Drücke den Magnet von unten unterhalb der Büroklammer gegen die Wanne! Wenn du dann den Magnet bewegst, wird ihm die Büroklammer folgen. ƒ Ziehe den Magnet den Boden und die Wand der Wanne entlang, bis du die Büroklammer nehmen kannst!

Macht doch in der Klasse einen Wettbewerb! Wer schafft es am schnellsten, die Büroklammer aus der Wanne zu holen?

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PHYSIK-LABOR: Magnetismus

Experiment 3: Die schwebende Büroklammer Du brauchst: einen Magnet * Büroklammer * Bindfaden

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Ablauf: ƒ Binde die Büroklammer an den Bindfaden! ƒ Halte den Magnet über die Büroklammer, bis sie vom Magneten angezogen wird! ƒ Ziehe dann am Bindfaden die Büroklammer langsam vom Magneten weg!

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Ziel des Experiments: Bringe eine Büroklammer in einem Magnetfeld zum Schweben!

Schaffst du es, die Büroklammer in Schwebe zu halten, ohne dass du sie am Bindfaden festhältst?

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Experiment 4: Abschirmen eines Magnetfeldes

Ziel des Experiments: Finde heraus, welche Materialien ein Magnetfeld abschirmen!

Du brauchst: einen Magnet * Büroklammern * Platten aus verschiedenen Materialien (z. B. verschieden dicke Holzbretter, Zeitung, Bücher, Metallplatten, Glasplatte, Fliesen, Teller, Plastikfolie, Alufolie, Kochtopf, …) – einige dieser Materialien gibt es vielleicht in der Schule, andere kannst du von zu Hause mitnehmen.

Ablauf: ƒ Zeichne mit einem Filzstift einen Punkt in die Mitte einer Platte! ƒ Lege die Platte zwischen zwei Tischkanten und verteile die Büroklammern gleichmäßig darauf! ƒ Versuche, von unten mit dem Magneten die Büroklammern zum Punkt zu führen! ƒ Wiederhole das Experiment mit anderen Platten! Stoppe die Zeit!

Wie lange brauchst du, bis du alle Büroklammern eingesammelt hast?

Oly

Protokoll: Führe ein Protokoll! Notiere, bei welchem Material du wie lange brauchst!

Hier ein Beispiel:

Holzplatte

Zeit

Minuten

Teller

Minuten

Alufolie

Minuten

Eisenplatte

Minuten

Gibt es Materialien, durch die du die Büroklammern überhaupt nicht bewegen kannst?

Warum ist das so?

Zeitung

Minuten

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PHYSIK-NEWS: Magnetismus

erl

Zugvögel wie der Storch fliegen jedes Jahr im Herbst in den Süden und legen dabei tausende km zurück. Im Frühjahr kommen sie wieder zu uns und finden dabei wieder genau ihre Nester vom Vorjahr. Doch wie finden die Vögel ihren Weg? Sie besitzen einen speziellen Sinn, mit dem sie das Magnetfeld der Erde erkennen können. Sie haben also einen „inneren Kompass“, mit dem sie zu uns zurückfinden.

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Wie finden Vögel ihren Weg?

Magnetlinien der Erde von Sonne bedroht!

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Die Magnetlinien rund um unsere Erde sehen etwas anders aus, als wir sie von einem normalen Magneten kennen. Die Ursache dafür ist die Sonne, die ständig elektrisch geladene Teilchen in den Weltraum schleudert. Diese Teilchen treffen auf das Magnetfeld der Erde und verzerren die Magnetlinien. Die geladenen Teilchen wandern die Feldlinien entlang. Am Nord- und Südpol treffen die Linien auf die Erdoberfläche. Sobald die Teilchen mit der Luft in Berührung kommen, beginnen sie zu leuchten. So entstehen rund um die Pole die Polarlichter.

Sagenhafte Magnete

Oly

Der Sage nach entdeckte ein griechischer Hirte namens Magnes den Magnetismus. Angeblich blieb er mit seinen eisenbeschlagenen Schuhen und der eisernen Spitze seines Stockes an einem Stein hängen und konnte sich nicht mehr von der Stelle bewegen. Dieser Stein war aus Magneteisen und wurde nach dem Namen des Hirten „Magnet“ genannt. Eine andere Sage erzählt von einem Magnetberg, der mitten im Meer lag. Wenn Schiffe an diesem Berg aus Magneteisen vorbeifuhren, fielen sie auseinander und gingen unter, da die Nägel aus dem Holz der Schiffe gezogen wurden.

Die Sonne

Auch unsere Sonne hat ein Magnetfeld. Immer wieder werden riesige Mengen von heißen Gasen in den Weltraum geschleudert.

Diese folgen den Magnetlinien der Sonne, die so sichtbar werden.

Wissenswertes über das Magnetfeld unserer Erde ƒ Die Pole des Magnetfeldes liegen nicht genau dort, wo sich die geografischen Pole befinden. Der magnetische Nordpol ist etwa 500 km vom geografischen Nordpol entfernt. Der Abstand zwischen dem magnetischen und dem geografischen Südpol beträgt sogar mehr als 2 500 km. ƒ Ein Kompass zeigt daher nicht immer genau nach Norden. Rund um den Kompass auf einem Schiff werden daher kleine Magnete angebracht, um diese Abweichung zu korrigieren. ƒ Die Magnetpole der Erde sind nicht immer an denselben Stellen, sondern sie wandern. Derzeit bewegt sich der magnetische Nordpol mit einer Geschwindigkeit von ca. 40 km pro Jahr. ƒ Etwa alle 250 000 Jahre kommt es zu einem Polsprung. Das Magnetfeld der Erde kehrt sich dann um. So wird der Nordpol zum Südpol und umgekehrt. ƒ Der Nordpol unserer Erde ist eigentlich ein magnetischer Südpol, da der Nordpol einer Magnetnadel von ihm angezogen wird.

BILDER-RÄTSEL: Was ist das?

Die Lösung zu diesem Bilderrätsel findest du auf der nächsten Seite.

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PHYSIK-NEWS: Magnetismus Magnetfelder blicken ins Innere des Körpers!

Mesmerismus und der „tierische Magnetismus“

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Heilung mit Magnetismus

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Die Magnetresonanztomographie, kurz: MRT, ist heute aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Starke Magnetfelder lassen Bilder aus dem Körperinneren entstehen. Sie sind so genau, dass der Arzt anhand der Bilder gut erkennen kann, wenn im Körper etwas nicht in Ordnung ist.

Bereits vor mehr als 200 Jahren verwendete der deutsche Arzt Franz Anton Mesmer Magnete, um Menschen zu heilen. Er war davon überzeugt, dass es im menschlichen Körper eine magnetische Kraft gibt, die er „tierischer Magnetismus“ nannte.

Mit Magneten wollte er diese Kraft beeinflussen. Schon bald stellte sich heraus, dass Mesmers Idee falsch war und es den tierischen Magnetismus nicht gab.

Lange Zeit wurden Heilmethoden wie die Hypnose als „Mesmerismus“ bezeichnet. Das englische Wort für „hypnotisieren“ heißt heute noch „to mesmerize“.

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Manche Ärzte behaupten, dass Magnetfelder zur Heilung von Knochenbrüchen oder Schmerzen in den Gelenken beitragen können. Für die „Magnettherapie“ werden die erkrankten Stellen einem schwachen Magnetfeld ausgesetzt. Andere Ärzte sind aber der Meinung, dass die Magnettherapie wirkungslos ist.

Armbänder, Schuheinlagen oder Pflaster mit Magneten gibt es zu kaufen.

Die Menschen, die sie verwenden, sind davon überzeugt, dass sie sich dadurch besser fühlen.

Lösung zum Bilderrätsel

Oly

Auf diesem Bild sind 3 schwere Eisenkugeln zu sehen, die durch Neodym-Magnete (die kleinen Scheiben zwischen den Kugeln) gehalten werden. Neodym-Magnete sind die stärksten Magnete, die es gibt. Sie können das 1 300-fache ihres eigenen Gewichts festhalten. Diese beiden kleinen NeodymMagnete haften so fest aneinander, dass sie mit der Hand fast nicht getrennt werden können.

Neodym-Magnete sind so stark, dass man sehr vorsichtig sein muss, wenn man mit ihnen arbeitet. Wenn man sich die Haut oder einen Finger zwischen ihnen einklemmt, kann das zu Verletzungen führen. Bei größeren Magneten besteht sogar die Gefahr von Knochenbrüchen. Neodym-Magnete bestehen aus einer Mischung von Eisen mit den seltenen Materialien Neodym und Bor.

Hast du das gewusst?

ƒ Magnete werden auch verwendet, um Flüssigkeiten beim Erwärmen umzurühren. Unter der Herdplatte dreht ein Motor einen Magnet. Kleine Eisenstücke in der Flüssigkeit drehen sich mit und bewirken so, dass diese sich gleichmäßig erwärmt. ƒ Magnete spielen auch bei der Mülltrennung eine wichtige Rolle. Mit Hilfe von Magneten werden Gegenstände aus Eisen von anderem Abfall getrennt.

Das Eisen wird danach wiederverwendet.

Witz der Woche!

2 Magnete unterhalten sich. Da meint der eine: „Du, ich hab keine Ahnung, was ich heute Abend anziehen soll.“

Buchtipps Ulrike Berger und Detlef Kersten: Die ElektroWerkstatt: Spannende Experimente mit Magneten und Strom (Family Media/Velber Buchverlag, 2010).

Werner Rentzsch: Experiment mit Spaß, Magnetismus & Elektrizität (Aulis Verlag, 2011).

Otto Lührs, Rainer Flieger, Jörn Henning: WAS IST WAS, Band 39, Magnetismus (Tessloff Verlag, 2010).

Mechanik

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Behörde: öffentliche Dienstelle, die für den Staat bestimmte Aufgaben übernimmt Astronaut: amerikanischer Weltraumfahrer

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Im Juli 1969 startete die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA die erste Rakete, die Menschen zum Mond bringen sollte. Vier Tage nach dem Start betrat am 20. Juli der Astronaut Neil Armstrong als erster Mensch unseren Mond. Als er von der Leiter des Raumfahrzeuges erstmals die Mondoberfläche betrat, sage er: „Das ist ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein großer Sprung für die Menschheit!“

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5. MASSE, KRAFT UND GEWICHT

mp eV

Doch gleich darauf stellte er fest, dass auch er selbst auf dem Mond viel größere Sprünge machen konnte als auf der Erde. Armstrong fühlte sich auf dem Mond viel leichter als auf der Erde. Bei jedem Schritt flog er ein Start der ersten Mondrakete Stück über den Boden.

Warum war Armstrong auf dem Mond so leicht?

Neil Armstrong

Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, warum du auf dem Erdboden festgehalten wirst. Warum fallen alle Gegenstände zu Boden und fliegen nicht nach oben? Die Erklärung dafür ist die Gravitation.

Die Gravitation

Zwei Körper ziehen einander immer an. Das heißt, zwischen ihnen herrscht eine anziehende Kraft. Diese Kraft nennt man Gravitationskraft oder Schwerkraft. Unser Planet Erde und du ziehen einander an, daher wirst du immer auf dem Erdboden festgehalten. Der Erste, der diese Kraft erkannte, war der englische Wissenschaftler Sir Isaac Newton.

Wie sich das anfühlt, wenn man von der Erde festgehalten wird, spürst du jeden Tag. Du weißt, wie hoch du springen kannst und wie mühsam es ist, Treppen zu steigen. Auf dem Mond wurde Neil Armstrong jedoch wesentlich weniger stark festgehalten. Daher fühlte er sich leichter und konnte größere Sprünge machen.

Oly

Viele Namen für Weltraumfahrer Die Menschen, die in den Weltraum reisen, werden in jedem Land, das Raumfahrt betreibt, anders bezeichnet.

So nennt man sie in Russland Kosmonauten, in China Taikonauten und in Indien Vyomanauten.

Wie wichtig ist Gravitation?

Die Gravitation ist eine der wichtigsten Kräfte im gesamten Weltraum. Sie ist dafür verantwortlich, dass sich unsere Erde um die Sonne dreht. Sie ist auch die Ursache dafür, dass sich Sterne und Planeten überhaupt bilden konnten.

Sie sorgt dafür, dass sich Materie an bestimmten Orten ansammelt und daraus Himmelskörper entstehen.

Die Masse

Jeder Körper hat eine bestimmte Masse. Der Körper von Neil Armstrong hatte eine Masse von etwa 78 kg. Diese Masse und die Masse der Erde ziehen einander an. Wie stark die Anziehung ist, hängt davon ab, wie groß die beiden Massen sind.

Die Masse der Erde beträgt ungefähr 5 974 000 000 000 000 000 000 000 kg.

Da der Mond viel kleiner ist als die Erde, ist auch seine Masse viel geringer. Daher ist die anziehende Kraft zwischen dem Mond und Neil Armstrong geringer. Sie ist nur etwa ein Sechstel so groß.

Materie: jede Form von Stoffen, aus denen alles aufgebaut ist Himmelskörper: Sterne, Planeten, Kometen, usw.

Wirst du auch von deinem Sitznachbarn/deiner Sitznachbarin angezogen?

Warum spürst du diese Kraft nicht?

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Mechanik Das Gewicht

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Wie misst man Masse?

Masse selbst kann nicht gemessen werden. Die Masse eines Körpers kann man nur dadurch bestimmen, dass man sie mit der Masse eines anderen Körpers vergleicht. Das Gerät, mit dem das geschieht, nennt man Waage.

Eine Balkenwaage besteht aus zwei Schalen, die an einem Balken aufgehängt sind. Der Balken ist in der Mitte drehbar befestigt. Die Körper, deren Massen Balkenwaage verglichen werden sollen, werden auf die beiden Waagschalen gelegt. Sind sie gleich groß, steht der Balken waagrecht. Sind sie nicht gleich groß, dann sinkt die Schale mit dem schwereren Körper nach unten.

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Wie wäge ich richtig?

Wenn du z. B. ein Kilo Reis abwägen willst, dann stellst du zunächst das 1 kg-Massestück auf eine Waagschale. Anschließend schüttest du auf die andere Waagschale so lange Reis, bis der Balken waagrecht steht.

Die Masse deines Körpers ist immer vorhanden und bleibt immer gleich groß. Du spürst aber nicht die Masse selbst, sondern die Kraft, die die Anziehung der Erde auf diese Masse ausübt. Diese Kraft wird als Gewicht oder Gewichtskraft bezeichnet. Die Gewichtskraft ist auf der Erde etwa sechsmal so groß wie auf dem Mond. Daher ist das Gewicht, das Neil Armstrong auf dem Mond gespürt hat, nur etwa ein Sechstel von dem auf der Erde. Die Gewichtskraft auf dem Mond war nur so groß, als ob Armstrong auf der Erde eine Masse von 13 kg gehabt hätte.

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Oft wirst du gefragt, wie groß dein Körpergewicht ist.

Wie müsste diese Frage richtig lauten?

Ägyptische Balkenwaage vor 4 000 Jahren

Da die Masse nicht direkt gemessen werden kann, vergleicht man sie immer mit dem Gewicht des „Urkilogramms“. Dieses besteht aus einer Legierung der beiden Metalle Platin und Iridium und wird in Paris aufbewahrt. Man kann aber nicht immer nach Paris fahren, wenn man eine Masse wägen möchte. Außerdem braucht man zum Wägen auch kleinere Massen. Daher verwendet man Massesätze, die Stücke mit unterschiedlichen Massen enthalten. Diese sind mit der Masse des Urkilogramms verglichen worden.

Legierung: Mischung von Metallen

Urkilogramm

Massesatz

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Waagen müssen geeicht werden!

Bei allen Waagen, mit denen man Waren abwägt, muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden, ob die Waage noch richtig misst.

Diesen Vorgang nennt man „Eichen“. Zur Bestätigung, dass die Waage geeicht worden ist, erhält sie ein Prüfzeichen.

Skala: Einteilung, ähnlich wie bei einem Lineal

Unterschiedliche Waagen

Der Balken einer Balkenwaage ist genau in der Mitte befestigt. Man vergleicht damit Massen, die ungefähr gleich groß sind. Will man jedoch eine sehr große Masse wägen, müsste man auf der anderen Seite ebenfalls eine sehr große Masse anbringen.

Bei der römischen Waage oder Schnellwaage ist eine Masse auf dem Balken verschiebbar. Die zu wägende Masse wird an einer Seite an einen Haken gehängt. Dann verschiebt man die andere Masse so lange, bis der Balken waagrecht ist.

An einer Skala kann dann die Masse abgelesen werden.

Schnellwaage

Mechanik

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Neben der Balkenwaage und der Schnellwaage gibt es noch viele verschiedene andere Waagenarten:

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ƒ Fein- oder Apothekerwaage: Diese Waage ist eine Balkenwaage. Sie ist besonders empfindlich und wird für das Wägen besonders kleiner Stoffmengen verwendet. Dafür gibt es Massesätze mit sehr kleinen Massen. ƒ Briefwaage: Bei dieser Waage wird kein Balken ins Massensatz einer Gleichgewicht gebracht. Die Vergleichsmasse ist an Apothekerwaage einem Stab befestigt. Die zu messende Masse lenkt den Hebel umso weiter aus, je größer sie ist. ƒ Dezimalwaage: Ein Balken dieser Balkenwaage ist zehnmal so lang wie der andere. Daher kann eine Masse gemessen werden, die zehnmal so groß wie die Vergleichsmasse ist. ƒ Brückenwaage: Diese Dezimalwaage ist für das Wägen besonders schwerer Gegenstände wie Lastwagen oder große Tiere geeignet.

Sie erinnert in ihrer Form an eine Brücke.

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Briefwaage

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Oft wird eine Waage nicht dazu verwendet, um Massen miteinander zu vergleichen, sondern um die Gewichtskraft zu messen. So eine Waage ist eigentlich keine Waage sondern ein Kraftmessgerät, auch wenn es als Waage bezeichnet wird.

Kraftmessgeräte, die Federwaage

Jede Masse wird von der Erde angezogen, es entsteht eine anziehende Kraft. Diese Kraft ist umso größer, je größer die Masse ist. Messen kann man diese Kraft mit Hilfe einer Feder.

Brückenwaage Feder: schraubenförmig aufgerollter Metalldraht, der bei Zug oder Druck nachgibt; wird z. B. in Kugelschreibern verwendet

Eine Federwaage misst das Gewicht, also die Kraft, die auf eine Masse wirkt. Der Körper wird zur Messung an die Feder gehängt. Je größer die Masse ist, desto weiter wird die Feder gedehnt. An einer Skala kann dann abgelesen werden, wie stark die Kraft ist.

Wirkung einer Kraft

Die Feder wird dabei immer nach unten gedehnt. Die Gewichtskraft wirkt in Richtung des Erdmittelpunkts. Eine Kraft wirkt ganz allgemein immer in eine Richtung.

Oly

Stell dir vor, du willst beim Fußballspielen einen Elfmeter schießen.

Der Ball liegt ruhig vor dir. Dann nimmst du Anlauf und schießt.

Beim Schuss übst du eine Kraft auf den Ball aus, der sich dann in Bewegung setzt. Dieses „in Bewegung setzen“ nennt man Beschleunigung. Beim Schuss Federwaage zielst du auf das Tor. Die Bewegung, die der Ball dann macht, geht in Richtung auf das Tor, denn du gibst mit deinem Fuß dem Ball diese Richtung vor. Die Kraft deines Schusses ist also in eine bestimmte Richtung gerichtet, in diesem Fall auf das Tor. Je nachdem, „wie viel Kraft“ du in deinen Schuss legst, fliegt der Ball langsamer oder schneller. Die Kraft bestimmt also die Geschwindigkeit.

Federn

Andere Kraftmessgeräte Bei modernen Kraftmessgeräten wie Küchenwaagen oder Personenwaagen werden keine Federn eingesetzt. Bei solchen Waagen werden elektronische Bauteile verwendet. Diese verändern ihre Eigenschaften, wenn man sich z. B. daraufstellt.

Diese Veränderung wird gemessen.

Mechanik

Versuch

Eine Kraft versetzt einen Körper in Bewegung, sie beschleunigt ihn. Eine Kraft ist immer in eine Richtung gerichtet.

Wenn du eine Kraft zeichnerisch darstellen willst, verwendest du daher immer einen Pfeil. Die Länge des Pfeiles gibt den Betrag der Kraft an. Die Spitze des Pfeils zeigt in die Richtung, in die die Kraft wirkt. Das andere Ende des Pfeils markiert den Angriffspunkt. Eine Kraft wird üblicherweise mit „F“ abgekürzt. Das Abkürzungszeichen „F“ leitet sich vom englischen Wort für Kraft „force“ ab.

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Nimm einen Porzellanteller und lasse ihn aus einer Höhe von 1 cm auf den Tisch fallen!

Dann lass denselben Teller aus einer Höhe von 1 m fallen!

Was geschieht?

Warum ist das so?

Die Wirkung einer Kraft ist ganz allgemein daran zu erkennen, dass sie einen Körper in Bewegung versetzt. Auch die Gewichtskraft hat diese Eigenschaft. Du merkst sie daran, dass ein Körper zu Boden fällt, wenn du ihn loslässt. Auch beim Loslassen wird der Körper beschleunigt, und zwar so lange, bis er auf dem Boden auftrifft. Man spricht in diesem Fall von der „Erdbeschleunigung“.

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Die Erdbeschleunigung Wenn man es ganz genau betrachtet, ist die Kraft, die die Erdbeschleunigung auf einen Körper mit einer Masse von 1 kg ausübt, 9,81 N. Es ist aber meist ausreichend, mit einem Wert von 10 zu rechnen.

Weil die Erdbeschleunigung dafür verantwortlich ist, dass Körper nach unten fallen, nennt man sie auch Fallbeschleunigung.

Angriffspunkt: der Punkt, an dem die Kraft beginnt

rag

Bet

t

F

Angriffspunkt

Kraftpfeil

Die Einheit der Kraft ist das Newton und wird mit „N“ abgekürzt. Benannt wurde sie nach dem Physiker Sir Isaac Newton. Wie du bereits gehört hast, hat er als Erster erkannt, was die Gravitation ist. Eine Kraft von 1 N ist so groß, dass sie eine Masse von 1 kg innerhalb einer Sekunde auf eine Geschwindigkeit von 1 m/s bringt.

Die Anziehung der Erde wirkt auf eine Masse von 1 kg mit einer Kraft von ca. 10 N.

Jede Kraft erzeugt eine Gegenkraft Max und Alex gehen gemeinsam ins Schwimmbad. Sie lassen sich auf ihren Schwimmreifen im Wasser treiben. Die beiden Reifen berühren einander und Max stößt den Reifen von Alex weg. Durch den Stoß bewegt sich aber nicht nur der Reifen von Alex. Auch Max selbst wird in die Gegenrichtung bewegt.

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1 m/s: „1 Meter PRO Sekunde“, Maß für eine Geschwindigkeit, bei der sich ein Körper in jeder Sekunde um einen Meter weiterbewegt

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Die Einheit der Kraft

Führt das Experiment „Das Reaktionsprinzip“ auf S. 127 durch!

Betrag der Kraft: Stärke der Kraft, unabhängig von ihrer Richtung

Richtung der Kraft

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Warum ist das so?

Dieses Prinzip, wonach jede Kraft eine Gegenkraft bewirkt, nennt man „Reaktionsprinzip“.

Wo hast du dieses Prinzip schon selbst kennen gelernt?

Sprecht in der Klasse darüber!

Durch die Kraft, die Max aufwendet, um Alex wegzustoßen, wirkt auch eine Kraft auf ihn selbst.

Jede Kraft verursacht eine Gegenkraft, die genau so groß, aber entgegengesetzt gerichtet ist.

Mechanik

Wo wirkt die Haftreibung?

Die Haftreibung wirkt in vielen Bereichen unseres Lebens. So verhindert sie, dass unsere Schuhe beim Gehen wegrutschen. Sie bewirkt auch, dass Nägel im Holz stecken bleiben und dass ein Knoten in einem Seil nicht aufgeht.

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Wenn beim Billardspielen die weiße Kugel auf die schwarze trifft, bleibt die weiße Kugel liegen und die schwarze wird in Bewegung gesetzt.

Die weiße Kugel übt also eine Kraft auf die schwarze aus, die die Bewegung verursacht.

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Aber was geschieht mit der weißen?

Arten von Kräften

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Auch auf die weiße Kugel wirkt eine Kraft. Diese hat allerdings keine Bewegung als Folge, sondern führt dazu, dass sie abgebremst wird. Beim Aufeinanderprallen wird die schwarze Kugel beschleunigt. Die weiße wird abgebremst. Das bezeichnet man als Verzögerung.

rau: nicht glatt

Kräfte können sehr unterschiedlich sein und haben unterschiedliche Wirkungen.

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Die Reibungskraft Mit einer Rodel kannst du sehr rasch einen schneebedeckten Hang hinunterfahren. Wenn du dann nach Hause gehst und die Rodel über die schneefreie Straße ziehst, gleitet sie aber nicht mehr so leicht dahin.

Zwischen deiner Rodel und dem Untergrund wirkt eine Kraft, die die Rodel abbremst. Wenn die Rodel auf Schnee oder Eis gleitet, ist diese Kraft sehr gering. Wenn sie sich jedoch auf einem rauen Boden wie dem Asphalt der Straße befindet, ist diese Kraft sehr groß. Diese Kraft nennt man Reibungskraft.

Asphalt: Material, mit dem Straßen bedeckt sind

Die Reibung auf rauem Untergrund ist stärker als auf glattem.

Zwischen zwei Gegenständen, die einander berühren, gibt es immer Reibungskräfte.

Es gibt drei unterschiedliche Arten von Reibung:

Oly

ƒ Die Haftreibung spürst du, wenn du z. B. ein Sofa in deinem Zimmer verschieben möchtest. Zwischen dem Sofa und dem Fußboden wirkt die Haftreibung.

Um das Sofa zu bewegen, musst du diese Haftreibung überwinden. Die Kraft, die du dafür brauchst, muss größer sein als die Haftreibungskraft zwischen Boden und Sofa. ƒ Sobald sich das Sofa in Bewegung gesetzt hat, brauchst du eine geringere Kraft, um es weiterzuschieben. Auch beim Verschieben herrscht eine Reibung zwischen Sofa und Boden. Allerdings ist diese geringer als die Haftreibung. Sie wird Gleitreibung genannt. Zum Verschieben musst du die Gleitreibungskraft überwinden. ƒ Am leichtesten kannst du dein Sofa verschieben, wenn du es auf ein Brett stellst, an dem Räder oder Rollen angebracht sind. Denn dann wirkt die Rollreibung.

Diese ist wesentlich geringer als die Gleitreibung. Zum Verschieben musst du dann nur sehr wenig Kraft aufwenden.

Die Haftreibung ist also größer als die Gleitreibung und diese wiederum ist größer als die Rollreibung.

Die Reibungskraft hängt von der Masse ab.

Die Reibungskraft ist unabhängig von der Auflagefläche.

Überlege: Was kann man tun, um die Reibung zwischen zwei Gegenständen zu erhöhen?

Was tut man, um die Reibung zu verringern? Für welche Zwecke ist das erforderlich?

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Mechanik

ag

Die Verformungskraft Manche Körper sind elastisch. Wenn Kräfte auf sie wirken, verformen sie sich. Wirken die Kräfte nicht mehr, kehren sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Andere Körper behalten jedoch ihre veränderte Form bei. Ein Beispiel dafür ist die Knetmasse, die du sicherlich kennst.

Die Muskelkraft Mit deinen Muskeln kannst du Kraft auf Gegenstände wirken lassen. Beim Heben oder Tragen wirkst du damit der Schwerkraft entgegen. Wenn du mit Knetmasse arbeitest, kannst du sie mit Muskelkraft verformen.

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Crashtest: absichtlich herbeigeführter Unfall

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Auch ein Auto verformt sich, wenn Kräfte darauf wirken, so wie hier beim Crashtest.

Der Strömungswiderstand Die Reibung ist nicht die einzige Kraft, die eine bremsende Wirkung hat. Wenn sich ein Gegenstand durch die Luft oder durch das Wasser bewegt, wirkt eine bremsende Kraft auf ihn. Diese nennt man Strömungswiderstand.

Wenn ein Schiff fährt, wird vorne das Wasser zur Seite gedrückt. Die dafür erforderliche Kraft bremst das Fahrzeug.

elastisch: biegsam, dehnbar

Wo überall wird die Verformbarkeit von Körpern genutzt?

Findet Beispiele und besprecht sie in der Klasse!

Situation: Lage, in der man sich befindet; Zustand

Die Gravitations- oder Schwerkraft Diese Kraft hast du bereits kennen gelernt. Sie wirkt als anziehende Kraft zwischen zwei Massen und ist dafür verantwortlich, dass wir auf der Erde festgehalten werden.

Die Beschleunigungskraft Auch diese Kraft kennst du bereits. Mit dieser Kraft wird ein Körper in Bewegung gesetzt. Aber auch für das Abbremsen oder Verzögern eines Körpers ist eine Beschleunigungskraft erforderlich.

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Die Masse eines Körpers ist immer gleich. Sein Gewicht hängt von der Anziehungskraft der Erde ab. Massen werden mit Waagen verglichen. Das Gewicht misst man mit Kraftmessern wie der Federwaage. Eine Kraft (F) ist in eine bestimmte Richtung gerichtet. Sie wird in Newton (N) gemessen.

Jede Kraft bewirkt eine Gegenkraft, die gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Es gibt mehrere unterschiedliche Arten von Kräften. Man unterscheidet Haft-, Gleit- und Rollreibung.

Die Motorkraft Auch ein Motor erzeugt eine Kraft. Mit ihr kann ein Auto beschleunigt werden. An einem Kran können so schwere Massen gegen die Schwerkraft in die Höhe gehoben werden.

Oft wirken mehrere Kräfte gleichzeitig

Ein Mountainbiker oder eine Mountainbikerin, der oder die auf einen Berg fährt, setzt die Muskelkraft als Beschleunigungskraft ein. Gleichzeitig wirkt die Schwerkraft, die bergabwärts gerichtet ist. Die Räder des Fahrrades sind der Rollreibung ausgesetzt. Wenn beim Bergabfahren gebremst wird, kommt auch die Gleitreibung dazu.

Du siehst also, dass die vollständige Beschreibung aller Kräfte, die in einer Situation wirken, sehr schwierig sein kann.

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Mechanik 27

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Mehr Reibung oder weniger? Manchmal will man die Reibung erhöhen, manchmal will man sie aber auch verringern. Finde heraus, was man in diesen Fällen erreichen möchte, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort! %% erhöhen

verringern

Wenn bei Glatteis die Straßen mit Rollsplitt gestreut werden, will man die Reibung …

K

E

Wenn im Schwimmbad Wasser über die Rutsche rinnt, will man die Reibung …

Wenn der Automechaniker Öl in den Motor gießt, will er die Reibung …

L

A

Wenn man am Drehverschluss einer Limonadenflasche Rillen anbringt, will man damit die Reibung …

F

I

Wenn ein Schifahrer die Unterseite seiner Schier mit Wachs einreibt, will er die Reibung …

N

T

R

mp eV

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G

LÖSUNGSWORT:

•

•

•

•

•

2) Auf fremden Himmelskörpern – Moritz ist Weltraumpilot und reist mit seinem Raumschiff durch unser Sonnensystem. Bevor er auf einem Himmelskörper landet, möchte er wissen, welche Gewichtskraft dort auf ihn wirkt. Die Masse seines Körpers beträgt 50 kg. Hilf ihm und berechne sein Gewicht auf diesen Himmelskörpern! %%%%

N

Gewicht auf dem Mond:

N

Gewicht auf der Sonne:

N

Gewicht auf dem Jupiter:

N

Gewicht auf dem Mars:

N

Fallbeschleunigung: Erde: 10 Mond: 1,6 Sonne: 274 Jupiter: 24,8 Mars: 3,7

Oly

Gewicht auf der Erde:

3) Auf welchem dieser Himmelskörper kann Moritz nicht landen? %%% ____________________________ Warum kann Moritz dort nicht landen?

fi

Weil ______________________________________________________________________________________

28 Mechanik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Gleitreibungskraft Strömungswiderstand Verformungskraft Muskelkraft Motorkraft Rollreibungskraft Schwerkraft

Es ist zwar ziemlich anstrengend, aber manchmal muss man schwere Gegenstände auch selber tragen.

erl

1 2 3 4 5 6 7

ag

4) Welche Kraft wirkt hier? – Hier erzählen dir mehrere Personen von ihrer Tätigkeit. Stelle fest, von welchen Kräften sie sprechen, und trage die richtige Zahlen bei den Bildern ein! %%

Mit dem Stapler kann ich selbst schwere Gegenstände sehr einfach bewegen.

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Mein Schiff hat einen sehr starken Antrieb, damit es durch das Wasser fahren kann.

Das Kneten von Teig ist eine ziemlich mühsame Tätigkeit.

Mein Lastwagen hat mehr als 400 PS. Damit kann ich auch noch fahren, wenn er voll beladen ist.

Hoffentlich funktioniert mein Fallschirm!

Ich will möglichst schnell den Berg hinunterfahren.

Dazu muss die Unterseite meines Bobs ganz glatt sein.

5) Richtig wägen – Für ein Kochrezept benötigst du genau 680 g Reis. Wähle die passenden Massestücke aus, ringle sie ein und zeichne einen Pfeil zur rechten Waagschale! %%%

1/4 kg

5g

10 g

1/2 kg 20 g

50 g

1 kg

fi

Oly

100 g

Mechanik

29

6. DICHTE UND SPEZIFISCHES GEWICHT Goldschmied: stellt aus Gold und anderen wertvollen Materialien Schmuckstücke her

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Vor etwa 2 200 Jahren rief der König von Syrakus (Sizilien) den Wissenschaftler Archimedes zu sich. Ein Goldschmied hatte eine neue Krone für den König angefertigt. Nun wollte der König wissen, ob der Goldschmied die Krone tatsächlich aus reinem Gold gemacht hatte oder ob er ein billigeres Material dafür verwendet hatte.

Warum solltest du die Badewanne nicht bis zum Rand anfüllen, wenn du ein Bad nimmst?

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Archimedes

Wie konnte Archimedes das für den König herausfinden?

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Lange Zeit überlegte Archimedes, wie er das machen sollte. Als er eines Tages ein Bad nahm, kam ihm die entscheidende Idee. Er hatte nämlich bemerkt, dass das Wasser über den Rand lief, als er sich in die Wanne setzte.

Der Wasserspiegel in einem Gefäß steigt an, wenn man einen Körper hineintaucht.

Archimedes hatte ein Verfahren entdeckt, wie man das Volumen eines Körpers bestimmen konnte. Das Wasser, das über den Rand lief, hatte dasselbe Volumen wie sein eigener Körper.

Nachdem er dies herausgefunden hatte, tauchte er einfach die Krone in ein bis zum Rand mit Wasser gefülltes Gefäß und fing das überlaufende Wasser auf. So ermittelte er das Volumen der Krone. Dasselbe macht Archimedes mit einem Goldstück, das genauso schwer war wie die Krone. Er stellte fest, dass die Krone ein größeres Volumen hatte als das Goldstück. Der Goldschmied war damit als Betrüger entlarvt und der König ließ ihn hinrichten.

Was hatte Archimedes entdeckt?

Oly

Er hatte entdeckt, dass unterschiedliche Gegenstände, die dieselbe Masse haben, unterschiedliche Volumen haben können. Die Krone hatte dieselbe Masse wie das Goldstück, aber ein anderes Volumen. Daraus schloss Archimedes, dass sie aus einem anderen Material bestand und nicht aus reinem Gold.

Welche Masse hat 1 l Wasser?

Sicherlich weißt du, dass das Volumen von 1 dm³ auch als Liter bezeichnet wird. Du kannst also den Inhalt einer 1 l-Flasche in einen Würfel gießen, dessen Kanten 1 dm, also 10 cm, lang sind. Die Masse dieser Wassermenge ist genau 1 kg.

Verfahren: Art und Weise der Ausführung Wasserspiegel: Wasseroberfläche entlarven: einen Betrug aufdecken hinrichten: Todesstrafe durchführen

Versuch Führt das Experiment „Das Volumen eines Körpers“ auf S. 127 durch!

Was bedeutet „Heureka“?

Nachdem Archimedes diese Entdeckung gemacht hatte, soll er angeblich nackt durch die Straßen von Syrakus gelaufen sein.

Dabei rief er laut „Heureka!“, was auf Griechisch so viel wie „Ich hab’s gefunden!“ bedeutet.

1l = 1 dm2

Mechanik

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Die Dichte

Physikalische Einheit: in der Physik genau festgelegter Wert

1 l Wasser hat also eine Masse von 1 kg. Man sagt, seine Dichte ist „1“. Ganz allgemein ist die Dichte eines Materials die Masse pro Volumen. In unserem Beispiel ist sie also 1 kg pro dm³ oder auch 1 g pro cm³. Das Symbol für die Dichte ist der griechische Buchstabe ρ (Rho). Die physikalische Einheit für die Dichte ist 1 kg/dm³ oder 1 g/cm³.

Es gilt folgende Formel:

ag

Dichte: große Menge von gleichen Dingen auf engem Raum

Masse m kg Dichte = oder ρ = , Einheit: 1 V dm3 Volumen

1 kg 3

1 dm

=

1 000 g

3

1 000 cm

ACHTUNG

erl

Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Dichten. Vergleicht man gleich große Würfelchen aus unterschiedlichen Materialien, dann stellt man fest, dass ihre Massen sehr unterschiedlich sein können.

Kork 0,15 kg/dm3

Blei 11,3 kg/dm3

Kupfer 8,9 kg/dm3

mp eV

Warum ist 1 kg/dm³ gleichbedeutend mit 1 g/cm³?

1 kg sind 1 000 g und 1 dm³ enthält 1 000 cm³.

1 kg pro dm³ ist ein Bruch.

Wenn du ihn in g und cm³ anschreibst, dividierst du 1 000 durch 1 000. Das ergibt 1. =

Aluminium 2,7 kg/dm3

1g

1 cm3

Oft werden in der Physik die gleichen Abkürzungszeichen verschieden verwendet. In der Formel für die Dichte steht „m“ für „Masse“ und nicht für „Meter“.

spezifisch: für etwas typisch, besondere Merkmale für etwas

Eisen 7,8 kg/dm3

Wasser 1,0 kg/dm3

Quecksilber 13,6 kg/dm3

Dichte anderer Materialien

Gold

19,3 kg/dm³

Salz

2,17 kg/dm³

Silber

10,5 kg/dm³

Styropor

0,015 kg/dm³

Diamant

3,52 kg/dm³

Beton

2,1 kg/dm³

Alkohol

0,79 kg/dm³

Luft

0,0013 kg/dm³

Sand

1,5 kg/dm³

Olivenöl

0,91 kg/dm³

Glas

2,58 kg/dm³

Eis

0,92 kg/dm³

Oly

Die Dichte eines Materials gibt an, wie groß die Masse pro Volumen ist. Gemessen wird sie in kg/dm³. Die Dichten von Stoffen können sehr unterschiedlich sein.

Das spezifische Gewicht ist die Kraft, die durch die Erdanziehung pro Volumen auf einen Gegenstand wirkt.

Sie wird in N/dm³ angegeben.

Jeder Körper hat eine Masse. Sein Gewicht ist die Kraft, mit der er von der Erde angezogen wird. Seine Dichte hängt vom Material ab. Sie ist seine Masse pro Volumen.

Das spezifische Gewicht eines Materials ist daher die Kraft, mit der 1dm³ dieses Materials von der Erde angezogen wird.

Das spezifische Gewicht wird in Newton pro dm³ angegeben.

1 dm

Das spezifische Gewicht

5 kg

1 dm

m

1d

Masse: 5 kg Volumen: 1 dm3 Dichte: 5 kg/dm3 spezifisches Gewicht: 50 N/dm3

Mechanik

31

7. KRÄFTE UND IHRE WIRKUNG

Bei einer Pferdekutsche ziehen beide Pferde in die gleiche Richtung. Dadurch wird die Kraft, die auf die Kutsche wirkt, verdoppelt.

mp eV

Ganz allgemein gilt, dass die Gesamtkraft sich aus den einzelnen Kräften zusammensetzt.

Wirken sie in die gleiche Richtung, dann werden sie addiert, wirken sie entgegengesetzt, dann werden sie subtrahiert.

erl

Beide Gruppen ziehen am selben Seil, aber sie ziehen in entgegengesetzte Richtungen. Daher heben sich die beiden Kräfte auf und es kommt zu keiner Bewegung. Wenn aber eine Gruppe mehr Kraft aufbringt, zieht sie die andere zu sich.

ag

Beim Seilziehen bringen beide Gruppen Kraft auf, aber es bewegt sich nichts.

Warum?

• gleich gerichtete Kräfte werden addiert: F = F1 + F2

sich aufheben: gleich groß, aber entgegengesetzt sein, sodass sich die Wirkungen ausgleichen

• entgegengesetzte Kräfte werden subtrahiert: F = F1 – F2

Man kann so beliebig viele Kräfte verbinden. Stell dir vor, du willst einen Wagen ziehen, aber er ist zu schwer für dich. Dann können deine Freunde und Freundinnen helfen. So wirken eure Kräfte gemeinsam und ihr könnt auch schwere Lasten transportieren.

Beliebig gerichtete Kräfte

Kräfte können aber nicht nur entgegengesetzt oder in die gleiche Richtung wirken, sie können auch beliebig gerichtet sein.

Oly

Binde ein Stück Schnur vorne an die Lokomotive einer Spielzeugeisenbahn und stelle diese auf ihre Gleise!

Wenn du dann an der Schnur ziehst, wird sich der Zug in Bewegung setzen. Es ist egal, in welche Richtung du ziehst, die Lokomotive bewegt sich immer in die gleiche Richtung, und zwar die Gleise entlang.

Kraft in Bewegungsrichtung

Normalkraft (FN)

F

Warum ist das so, obwohl du doch nicht immer in diese Richtung ziehst?

Die Kraft, mit der du an der Schnur ziehst, wirkt in Schnurrichtung. Diese Kraft besteht aus zwei Komponenten.

Eine Komponente wirkt in die Bewegungsrichtung der Lokomotive, die andere steht darauf normal. Daher nennt man sie Normalkraft.

Überlege: Wo wirken sonst noch entgegengesetzt gerichtete oder gleich gerichtete Kräfte? Betrachte dazu die beiden Fotos!

Last: Gegenstand, der bewegt werden soll beliebig: ganz nach Wunsch Komponente: Einzelteil, Bestandteil Die Normalkraft Die Normalkraft FN wird umso größer, je größer der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung und der Schnurrichtung ist.

FN F

FN F

32

Mechanik Das Kräfteparallelogramm Lea beobachtet eine Artistin, die mit einem Diabolo jongliert. Sie lässt das Diabolo auf der Schnur hin- und herrollen. Plötzlich zieht sie die Stäbe auseinander, spannt damit die Schnur und das Diabolo fliegt hoch in die Luft.

ag

Artistin: Künstlerin

Diabolo

Die Künstlerin hat auf die Stäbe eine Kraft zur Seite ausgeübt, aber auf das Diabolo wirkt eine Kraft nach oben.

Die beiden seitlichen Kräfte erzeugen eine resultierende Kraft nach oben. Wie groß sie ist und in welche Richtung sie wirkt, erkennt man im Kräfteparallelogramm.

FR

mp eV

Das Parallelogramm Ein Parallelogramm ist ein Viereck, bei dem jeweils zwei gegenüber liegende Seiten parallel sind.

erl

Was ist dabei geschehen?

Immer dann, wenn zwei verschieden gerichtete Kräfte denselben Angriffspunkt haben, kann man die resultierende Kraft (FR) mit Hilfe des Kräfteparallelogramms ermitteln. Die resultierende Kraft ist die Diagonale des Kräfteparallelogramms. Je kleiner dabei der Winkel zwischen den beiden Kräften ist, desto größer ist die resultierende Kraft.

Überlegt gemeinsam, wo in der Klasse Kräfte in verschiedene Richtungen wirken! Fertigt Skizzen an und zeichnet die Kräfteparallelogramme!

FR

FR

FR

ermitteln: feststellen

Ähnlich wie beim Diabolo ist auch das Kräfteparallelogramm beim Bogenschießen.

Der gespannte Bogen versucht, die Sehne geradezuziehen. Die Kraft wirkt dabei entlang der Sehne.

Oly

Sehne: Schnur an einem Bogen

Kräfte, die in dieselbe Richtung wirken, werden addiert, um die Gesamtkraft zu ermitteln.

Kräfte, die denselben Angriffspunkt haben, führen zu einer resultierenden Kraft.

Diese kann mit dem Kräfteparallelogramm ermittelt werden.

Nicht immer sind die beiden Kräfte gleich groß. Wenn sie unterschiedlich groß sind, ändert sich auch die Richtung und die Größe der resultierenden Kraft.

Auch diese Kraft kann man mit dem Kräfteparallelogramm bestimmen.

FR

9

Mechanik 33

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Material: _______________________

Material: _______________________

Dichte einiger Stoffe Aluminium 2,7 kg/dm3 Glas 2,5 kg/dm3 Granit 2,8 kg/dm3 Messing 8,3 kg/dm3 Nickel 8,9 kg/dm3 Silber 10,5 kg/dm3

mp eV

Gegenstand: _____________ Masse: 4,45 g Volumen: 0,5 cm3

Gegenstand: ________________ Masse: 4,15 g Volumen: 0,5 cm3

erl

Gegenstand: ________________ Masse: 63 g Volumen: 6 cm3

ag

1) Die Dichte von Stoffen – Du hast das Volumen einiger Gegenstände bestimmt, indem du ihre Wasserverdrängung gemessen hast. Auch ihre Masse hast du gewogen. Finde heraus, aus welchem Material die Gegenstände bestehen! Verwende dazu die Dichtetabelle! %%%

Material: _______________________

Gegenstand: _____________ Masse: 7,8 g Volumen: 1 cm3

Gegenstand: ________________ Masse: 5,4 g Volumen: 2 cm3

Material: __________________

Material: _______________________

2) Silbenrätsel – Auf dieser Küchenwaage findest du die Silben einiger Begriffe zum Thema Dichte. Setze die Wörter wieder richtig zusammen und schreibe sie daneben auf den Notizzettel! %%

AR-

MASSPE-

-FISCH

-ZI- -HEIT

-LUEIN-

-CHI-

-KA

fi

Oly

HEU-

VO-SE

-DES

-MEN -RE-

-ME-

34 Mechanik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

b) Der grüne Schlepper ist doppelt so stark wie der rote Schlepper.

c) Der rote Schlepper ist doppelt so stark wie der grüne Schlepper.

erl

a) Beide Schlepper sind gleich stark.

ag

3) Wohin wird das Schiff geschleppt? – Ein Öltanker wird von zwei Schleppern in den Hafen geschleppt.

Leider können sich die beiden Kapitäne der Schlepper nicht auf eine Richtung einigen. Finde heraus, in welche Richtung sich der gelbe Tanker bewegt! Zeichne die Richtung in die Skizzen ein!%%%%

mp eV

4) Gleich gerichtet oder entgegengesetzt? – Finde heraus, ob auf diesen Fotos die Kräfte, die dargestellt sind, gleich gerichtet oder entgegengesetzt sind! Kreuze richtig an! %%

gleich gerichtet

gleich gerichtet

entgegengesetzt

entgegengesetzt

entgegengesetzt

gleich gerichtet

gleich gerichtet

gleich gerichtet

entgegengesetzt

entgegengesetzt

entgegengesetzt

Oly

gleich gerichtet

Mit dem

.

fi

5) Zusammengesetzte Kräfte – Womit kann man die resultierende Kraft ermitteln, wenn zwei Kräfte denselben Angriffspunkt haben?%%%

Mechanik

35

8. IN BEWEGUNG Laura fährt mit ihrer Familie mit dem Auto von Salzburg nach Wien zum Donauinselfest.

ag

kmh: „Kilometer pro Stunde“; eigentlich müsste es km/h heißen, wird aber meist nur „kmh“ genannt

Die Geschwindigkeit

Wie rechnet man km/h in m/s um?

Um von m/s auf km/h zu kommen, muss man mit 3,6 multiplizieren: 1 m/s = 3,6 km/h

erl

Sie fahren um neun Uhr weg und erreichen die Stadtgrenze von Wien genau zu Mittag. Lauras Vater sieht auf die Uhr. „Für die 300 km haben wir genau 3 Stunden gebraucht“, stellt er fest. Während sie durch die Stadt fahren, rechnet Laura nach. Wenn sie für 300 km 3 Stunden gebraucht haben, dann haben sie pro Stunde 100 km zurückgelegt.

Sie waren also mit einer Geschwindigkeit von 100 kmh unterwegs.

mp eV

Die Geschwindigkeit gibt an, welche Wegstrecke in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wird. Die Einheiten der Geschwindigkeit sind km pro Stunde (km/h) und m pro Sekunde (m/s).

v=

s

Tachometer: zeigt die Geschwindigkeit eines Autos an, wird oft auch nur „Tacho“ genannt

(Geschwindigkeit ist Weg pro Zeit)

t

„v“ bezeichnet die Geschwindigkeit und steht für das englische Wort „velocity“. „t“ steht für „time“ und kennzeichnet die Zeit.

Oly

Laura erinnert sich, dass sie auf der Fahrt immer wieder auf den Tachometer des Autos gesehen hat.

Ihre Mutter war aber nicht immer mit 100 km/h gefahren. Manchmal war die In Baustellen darf man nur sehr langsam Anzeige bei „130“, bei einer Baustelle in fahren. der Nähe von Linz waren sie nur mit 60 km/h unterwegs. Laura fragt ihren Vater, wie die Geschwindigkeit von 100 km/h zustande kommt, obwohl sie doch meist mit einer anderen Geschwindigkeit gefahren sind. „Die Geschwindigkeit von 100 km/h ist eine Durchschnittsgeschwindigkeit oder mittlere Geschwindigkeit.

Insgesamt haben wir für die 300 km 3 Stunden gebraucht, also haben wir im Durchschnitt für 100 km 1 Stunde gebraucht. Auch wenn wir manchmal schneller und manchmal langsamer waren“, erklärt ihr Vater.

Die gleichförmige Bewegung

Wenn Lauras Familie in Salzburg mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h losgefahren wäre und diese Geschwindigkeit während der gesamten Fahrt genau beibehalten hätte, hätte sie genauso lang gebraucht. In diesem Fall wäre die Geschwindigkeit konstant gewesen. Das Auto hätte eine gleichförmige Bewegung durchgeführt.

Immer dann, wenn sich ein Gegenstand über eine längere Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, spricht man in der Physik von einer gleichförmigen Bewegung.

Tachometer Was kann die Ursache dafür sein, dass man nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit fahren kann? konstant: gleichbleibend Wie schnell bist du zu Fuß oder mit dem Fahrrad?

Wie viele km schaffst du zu Fuß in einer Stunde?

Wie schnell darf man in Österreich fahren?

Autobahn: 130 km/h Bundesstraßen: 100 km/h Ortsgebiet: 50 km/h Zusätzlich gibt es Geschwindigkeitsbeschränkungen, an die man sich im Straßenverkehr halten muss.

36

Mechanik Das Zeit-Weg-Diagramm

Auto (80 km/h) 60

ag

Was ist die Momentangeschwindigkeit?

Während der Autofahrt ändert sich die Geschwindigkeit immer wieder. Die Momentangeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die das Auto zu einem bestimmten Zeitpunkt hat. Der Tachometer zeigt sie an.

Bewegungen können mit Hilfe eines Zeit-Weg-Diagramms dargestellt werden. Auf der waagrechten Achse wird die Zeit aufgetragen und auf der senkrechten Achse der Weg. So kann man ablesen, welcher Weg nach welcher Zeit zurückgelegt worden ist.

Bei einer gleichförmigen Bewegung ergibt sich eine gerade Linie.

40

Fahrrad (20 km/h)

20

1

2

3

erl

Diagramm: Zeichnung, die Zahlen und deren Verbindung zueinander darstellt

km 80

4 Stunden

Je höher die Geschwindigkeit ist, desto steiler ist die Linie.

Die beschleunigte Bewegung

mp eV

Bei der Fahrt durch die Stadt passt Laura genau auf. Ihre Mutter fährt ein Stück, das Auto wird langsamer und bleibt vor einer roten Ampel stehen. Als die Ampel wieder grün wird, gibt ihre Mutter Gas und das Auto wird schneller. Aber auch beim Fahren ändert sich die Geschwindigkeit ständig. Manchmal muss ihre Mutter langsamer fahren, dann kann sie wieder etwas rascher werden.

Was geschieht mit dem Auto, wenn es langsamer oder schneller wird?

Wenn sich die Geschwindigkeit eines Gegenstandes ändert, dann bezeichnet man das als Beschleunigung. Je mehr „Gas“ Lauras Mutter gibt und je rascher sich dadurch die Geschwindigkeit ändert, desto größer ist die Beschleunigung. Auch beim Abbremsen ändert sich die Geschwindigkeit. Das Bremsen ist eine Beschleunigung, die in diesem Fall „Verzögerung“ genannt wird.

Auch das Radar misst die Momentangeschwindigkeit.

Jedes Mal, wenn ihre Mutter bei einer Ampel losfährt, spürt Laura, wie sie gegen die Rückenlehne ihres Sitzes gedrückt wird. Beim Abbremsen spürt Laura, dass sie nach vorne kippt und sich ihr Sicherheitsgurt spannt. Um das Auto zu beschleunigen, muss Lauras Mutter „Gas geben“. Die Kraft des Motors erhöht dann die Geschwindigkeit. Laura spürt die Kräfte, die durch die Beschleunigung hervorgerufen werden und so auf ihren Körper wirken. Etwas später fährt ihre Mutter in einen Kreisverkehr und Laura spürt, wie sie gegen die Autotür gepresst wird.

Oly

Wie hängen Kraft und Beschleunigung zusammen?

Für jede Beschleunigung ist eine Kraft erforderlich.

Wenn du einen Körper fallen lässt, dann wird er durch die Anziehungskraft der Erde beschleunigt. Beim Fußballspielen übt dein Fuß die erforderliche Kraft aus, um den Ball zu beschleunigen.

Eine Bewegung, bei der sich die Geschwindigkeit ändert, wird daher als beschleunigte oder verzögerte Bewegung bezeichnet.

In welche Richtung wirken die Kräfte in einer Kurve?

Ist das auch eine Beschleunigung?

Kreisverkehr

Auch die Änderung der Bewegungsrichtung ist mit einer Beschleunigung verbunden. Wenn das Auto in eine Kurve fahren soll, ist eine Kraft erforderlich, die es aus der geradlinigen Bewegung ablenkt. Diese Kraft spürt Laura in der Kurve.

Mechanik

37

Die Trägheit

träge: faul, langsam

beharren: bei etwas bleiben, sich nicht ändern

Auto fährt in eine Kurve

Jeder Körper „wehrt“ sich dagegen, seine Bewegung zu ändern. Wenn er sich einmal in eine Richtung in Bewegung gesetzt hat, möchte er diese Bewegung beibehalten.

Auch wenn er sich nicht bewegt, sondern sich „in Ruhe befindet“, möchte er in diesem Zustand bleiben. Diese Eigenschaft eines Körpers nennt man Trägheit oder Beharrungsvermögen. Genau beschrieben wird diese Eigenschaft im Trägheitssatz:

mp eV

Ein Körper bleibt im Zustand der Ruhe oder einer

gleichförmigen Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt.

Um den Zustand eines Körpers zu verändern, ist also eine Kraft erforderlich. Diese Kraft bewirkt eine Beschleunigung. Je größer die Masse eines Körpers ist, desto größer ist auch seine Trägheit und desto größer ist die Kraft, die erforderlich ist.

Die Trägheit bewirkt, dass man auf einer Achterbahn kopfüber fahren kann.

Zustand: wie etwas ist

ag

Lauras Körper möchte sich gerade weiterbewegen.

Versuche dich als Zauberkünstler! Lege einige Bücher auf einen Tisch und ziehe das Tischtuch darunter weg! Wenn du es rasch genug machst, dann bleiben die Bücher durch ihre Trägheit liegen.

erl

In der Kurve spürt Laura, wie sie nach außen gedrückt wird. Es gibt aber keine Kraft, die Laura tatsächlich nach außen drücken würde. Während das Auto in die Kurve fährt, möchte ihr Körper sich weiterhin geradeaus bewegen. Das Auto bewegt sich aber zur Seite und zwingt Laura, seiner Bewegung zu folgen. Das Auto zieht also Laura mit sich in die Kurve. Dadurch wird sie an die Tür gepresst.

Die 3 Newtonschen Gesetze Der englische Wissenschaftler Isaac Newton hat drei Gesetze zur Mechanik gefunden. Du hast bereits alle drei kennengelernt: 1. Der Trägheitssatz 2. Die Beschleunigung ist umso größer, je größer die wirkende Kraft ist.

3. Jede Kraft verursacht eine gleich große Gegenkraft (siehe Kapitel 5).

Andererseits ist die Beschleunigung umso größer, je stärker die Kraft ist.

Der Angriffspunkt einer beschleunigenden Kraft ist immer der Schwerpunkt des Körpers.

Der Schwerpunkt

Oly

Versuche, einen Bleistift so auf die Spitze deines Fingers zu legen, dass er nicht herunterfällt! Du wirst ihn ein wenig hin- und herschieben müssen, bis du den richtigen Punkt gefunden hast. Der Schwerpunkt des Bleistifts befindet sich dann genau über der Stelle, an der du den Bleistift berührst.

Schwerpunkt

Der Schwerpunkt ist also der „Mittelpunkt“ eines Körpers, um den herum seine Masse gleichmäßig verteilt ist. Er wird daher auch Massemittelpunkt genannt. Jeder Körper hat einen Schwerpunkt. Er ist jedoch oft nicht so einfach zu bestimmen wie bei einem Bleistift.

Am einfachsten findet man ihn, wenn man den Körper an einem Faden aufhängt. Dann befindet sich der Schwerpunkt genau unterhalb des Fadens.

Versuch Führt die Experimente „Ein Stapel Bücher“, „Am seidenen Faden“ und „Standfestigkeit“ auf S. 128 und 129 durch!

38

Mechanik Geschwindigkeit, Beschleunigung und Trägheit im Alltag

Wovon kann die Länge des Bremsweges abhängen?

Aquaplaning

„Aquaplaning ist so ähnlich wie Glatteis“, meint Lauras Vater. „Wenn es ganz glatt ist, ist die Reibung zwischen Reifen und Straße sehr gering und das Auto rutscht über die Straße, selbst wenn sich die Räder nicht drehen. Aber wir haben neue Reifen. Das Profil der Reifen sorgt dafür, dass bei Regen das Wasser sich nicht vor den Reifen sammelt, sondern seitlich abrinnt.“

Der Anhalteweg

mp eV

Was ist eine Vollbremsung?

Bei einer Vollbremsung wird das Auto so rasch wie möglich zum Stehen gebracht. Manchmal ist das notwendig, um einen Unfall zu vermeiden. Eine Vollbremsung ist aber sehr schädlich für die Reifen und andere Bauteile des Autos.

ag

Anhalteweg bei verschiedenen Geschwindigkeiten 50 km/h 40 m 100 km/h 130 m 130 km/h 210 m

Auf dem Rückweg von Wien gerät Lauras Familie in Fahrtrichtung starken Regen. Ihre Mutter geht vom Gas und das Auto wird langsamer. „Warum bremst du?“, will Laura wissen. Ihre Mutter erklärt: „Ich bremse nicht, ich lasse das Auto nur langsamer rollen. Bei starkem Regen ist es gefährlich zu bremsen. Wenn das Auto zu schnell ist, bildet sich vor den Reifen ein Polster aus Wasser.

Dann haben die Reifen keinen Kontakt mehr zur Straße und ich kann das Auto nicht mehr lenken.

Wenn ich dann noch bremsen muss, wird das Auto dabei nicht langsamer. Diese Gefahr nennt man Aquaplaning.“

erl

Profil: Vertiefungen im Autoreifen oder in einer Schuhsohle

Bremsspur: Beim Bremsen wird der Gummi der Reifen auf der Straße abgerieben.

Wenn man das Auto zum Stehen bringen möchte, dann muss man daran denken, dass das nicht sofort möglich ist. Wenn der Fahrer bremst, dann bewirkt die Reibung zwischen den Reifen und der Straße, dass das Auto langsamer wird. Aber je schneller man fährt, desto länger dauert es, bis das Auto wirklich steht. Die Strecke bis zum Stillstand nennt man Bremsweg. Zusätzlich gibt es noch den Reaktionsweg. Das ist die Strecke, die das Auto zurücklegt, bis der Fahrer nach dem Erkennen einer Gefahr auf die Bremse steigt. Auch der Reaktionsweg ist von der Geschwindigkeit abhängig. Man muss also seine Fahrgeschwindigkeit und den Abstand zum vorderen Fahrzeug so Bremsspur eines Autos wählen, dass man noch sicher anhalten kann.

Anhalteweg = Reaktionsweg + Bremsweg

Beim Bremsen wirken sehr große Kräfte, auch auf deinen Körper. Damit dir nichts geschieht, musst du immer den Sicherheitsgurt anlegen. Im Auto sollten alle Gegenstände so sicher verstaut und befestigt sein, dass sie nicht herumfliegen können. Beim Fahren im Bus oder in der Bahn musst du dich immer gut festhalten.

Oly

Die Geschwindigkeit ist der Weg pro Zeit und wird in km/h oder m/s gemessen.

Es gibt gleichförmige und beschleunigte Bewegungen.

Jede Änderung der Geschwindigkeit ist eine Beschleunigung.

Die Trägheit bewirkt, dass sich ein Körper gegen eine Änderung der Geschwindigkeit wehrt. Der Ansatzpunkt der Kräfte bei der Beschleunigung ist der Schwerpunkt.

Sollte es doch einmal zu einem Unfall kommen, kann dir ein Airbag das Leben retten. Das ist ein großer Ballon, der sich beim Unfall aufbläst und deinen Körper auffängt.

Aber auch wenn du mit dem Fahrrad fährst, musst du auf deine Sicherheit achten. Trage immer einen Helm und Protektoren an den Ellbogen und den Knien.

Damit die Einsatzfahrzeuge rascher zu einem Unfallort gelangen können, ist es seit 1. Jänner 2012 Pflicht, eine Rettungsgasse zu bilden. Alle Autofahrer müssen auf die Seite fahren, damit dazwischen für Rettung, Feuerwehr und Polizei Platz zum Vorbeifahren bleibt.

Rettungsgasse

Mechanik 39

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

C

erl

Die schnellsten Züge gibt es in China. Der CHR3 braucht für die 1 300 km lange Strecke von Peking nach Shanghai etwa 4 Stunden.

ag

1) Wer ist schneller? – Ordne die Geschwindigkeiten! Beginne mit der größten! Wenn du richtig liegst, erhältst du ein Lösungswort! %%

@

Die Erde braucht ein Jahr, um einmal die Sonne zu umrunden.

Dabei legt sie in jeder Sekunde etwa 30 km zurück.

Die SR-71 – sie wird auch „Blackbird“, auf Deutsch „Amsel“, genannt – ist das schnellste Flugzeug der Welt. Für eine 4 000 km lange Überquerung der USA benötigt sie etwa 1 Sunde und 10 min.

mp eV

A

H

Die Weinbergschnecke ist auch in Österreich zu finden. In einer Stunde legt sie etwa 3 m zurück.

O

LÖSUNGSWORT:

•

•

•

Erkläre nun das Lösungswort!

•

T

Die schnellste Laufdisziplin ist der 100 m-Lauf. Spitzensportler schaffen diese Strecke in weniger als 10 Sekunden.

•

2) Von Wien nach Salzburg – In einem E-Mail berichtet Laura ihrer Freundin Eva von der Heimfahrt nach Salzburg. Lies ihren Bericht und zeichne mit einem Lineal das Zeit-Weg-Diagramm!%%%

fi

Oly

Hi Eva! Wir sind in Wien auf die Westautobahn aufgefahren. Es war viel Verkehr. Daher konnte meine Mutter nur durchschnittlich 100 km/h fahren. Nach einer Stunde erreichten wir die Autobahnstation Ybbs. Dort machten wir 30 min Pause, bevor wir weiterfuhren. Nach einer weiteren Stunde Fahrt hatten wir insgesamt 200 km auf der Autobahn zurückgelegt und waren knapp nach Linz. Dann kamen wir wieder zu der Baustelle, die uns schon auf dem Hinweg aufgehalten hatte. Im Baustellenbereich war außerdem noch ein Unfall passiert. Fast 30 min mussten wir warten, bevor wir wieder weiterfahren konnten. Ab jetzt ging es zügig weiter. Nach einer weiteren Stunde, in der wir wieder mit etwa 100 km/h fahren konnten, erreichten wir endlich Salzburg.

km 300

200

100

1

2

3

4 Stunden

40 Mechanik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

Welche Art von Gleichgewicht?

Setze dann den passenden Buchstaben zu jedem Bild! %

erl

Mittelpunkt © Stein © Schwerpunkt © Physik © Stoß © Gleichgewicht © Ausgangslage

ag

3) Das Gleichgewicht – Professor Zweistein hat für die Schülerzeitung einen Artikel über das Gleichgewicht geschrieben. Leider waren in seinem Artikel einige Wörter unleserlich. Setze die Wörter wieder richtig aus der Wortliste ein! %%

In der ________________ unterscheidet man 3 Arten von Gleichgewichten: das stabile, das labile und das indifferente Gleichgewicht. A. Beim stabilen Gleichgewicht kehrt der Körper wieder in seine _________________________ zurück, wenn er ein wenig ausgelenkt wird.

mp eV

Wenn man einen ____________ an einer Schnur aufhängt, befindet er sich in einem stabilen

Gleichgewicht. Der ______________________ (S) liegt dann direkt unter dem Drehpunkt (D).

B. Beim labilen Gleichgewicht reicht ein kleiner ___________ und der Körper setzt sich in Bewegung. Der Schwerpunkt liegt dabei über dem Drehpunkt. C. Beim indifferenten Gleichgewicht ist es egal, wie man den Körper bewegt, er befindet sich immer im

________________________. Ein Rad, das man in seinem __________________________ drehbar lagert, ist ein Beispiel dafür. Der Schwerpunkt und der Drehpunkt fallen zusammen 4) Wer ist wie schnell? – Berechne die Geschwindigkeiten und gib sie in km/h an! %%%%

Julia geht zu Fuß ins Kino. Das Kino ist 500 m entfernt. Für die Strecke braucht sie 10 min.

Wie schnell geht sie? ___________ km/h

Herr Topovic fährt mit dem Auto in die Arbeit.

Die Strecke ist 5 km lang. Er fährt 5 min.

Wie schnell fährt er? ___________ km/h

Für die Strecke von 180 km von Wien nach Graz braucht Frau Sommerlatte 1,5 Stunden. Wie schnell fährt sie? ___________ km/h

Otto geht mit seinen Eltern wandern. Der Wanderweg ist 10 km lang. Bis zum Ziel benötigen sie 2 Stunden.

Wie schnell gehen sie? ___________ km/h

Ein Schiff braucht für die 20 km vom Hafen bis zur nächsten Insel 2 Stunden. Wie schnell fährt es? ___________ km/h

fi

Oly

Dragan fährt mit dem Rad zur Schule. Für den Weg von 2 km braucht er 10 min. Wie schnell fährt er? ___________ km/h

Mechanik

41

9. ARBEIT, ENERGIE UND LEISTUNG

ag

Sicherlich kennst du den Begriff „Arbeit“. Deine Eltern gehen zur Arbeit und in der Schule schreibt ihr Schularbeiten. Auch das Lernen für Prüfungen ist für dich Arbeit.

Aber was versteht man in der Physik unter „Arbeit“?

mp eV

Wenn du ein Buch vom Boden aufhebst und auf einen Tisch legst, leistest du Arbeit. Das Buch hat eine Masse von 1 kg, der Tisch ist 1 m hoch. Die Kraft, die du aufbringen musst, ist etwa 10 N. Die Entfernung vom Boden bis zum Tisch ist der Weg von 1 m. Wenn du eine Kraft von 10 N auf einer Höhe von 1 m verrichtest, verrichtest du eine Arbeit von 10 Nm („Newtonmeter“). 1 Nm wird auch „Joule“ (J) genannt. Das ist die Einheit der Arbeit.

In der Physik wird die Arbeit mit dem Buchstaben „W“ abgekürzt, der für das englische Wort „work“ steht. Die Formel für die Arbeit ist: W = F • s (Arbeit ist Kraft mal Weg)

In dieser Formel steht der Buchstabe „s“ für den Weg. Er steht für das englische Wort „space“.

Die Hubarbeit

Immer dann, wenn etwas hochgehoben wird, sprechen wir von „Hubarbeit“. Man leistet dabei Arbeit gegen die Schwerkraft. Deine Kraft beim Hochheben ist der Schwerkraft entgegengesetzt.

Arbeit verrichtest du also nur beim Hochheben. Wenn du dann das Buch von einem Tisch zu einem anderen trägst, wird keine mechanische Arbeit mehr verrichtet, auch wenn das Tragen anstrengend ist.

Oly

Lernen ist für den Physiker keine Arbeit.

erl

Immer dann, wenn man eine Kraft aufbringt, um etwas zu bewegen, leistet man Arbeit.

Die Arbeit ist umso größer, je mehr Kraft man aufwenden muss oder je weiter man etwas bewegen muss. Die Arbeit in der Physik ist also abhängig von der Kraft und vom Weg.

Die Reibungsarbeit

Beim Tragen eines Gegenstandes leistest du keine Arbeit, weil du dabei keine Höhe überwindest. Wenn du aber etwas verschiebst oder ziehst, dann musst du sehr wohl Arbeit verrichten. In diesem Fall leistest du Arbeit gegen die Reibungskraft. Diese Arbeit nennt man Reibungsarbeit.

Hier wird mechanische Arbeit verrichtet.

Weg: Strecke, die durch das Anwenden einer Kraft zurückgelegt wird James Prescott Joule Der englische Physiker James Prescott Joule beschäftigte sich vor allem mit der Wärme, die bei verschiedenen Vorgängen entsteht. Die Einheit der Arbeit, das Joule, ist nach ihm benannt.

Mehrarbeit Beim Hochheben von 2 Büchern verrichtet man doppelt so viel Arbeit wie bei einem Buch. Auch wenn man ein Buch in 2 m Höhe auf ein Regal stellt, leistet man doppelt so viel Arbeit, als wenn man dasselbe Buch auf einen 1 m hohen Tisch legt.

Die Verformungsarbeit

Auch zum Verformen eines Gegenstandes ist Kraft notwendig. Beim Verformen leistest du Arbeit gegen diese Verformungskraft. Man nennt sie Verformungsarbeit.

Welche Arten der Reibung hast du kennengelernt? Bei welcher ist die zu leistende Arbeit am geringsten?

42

Mechanik Was ist eigentlich Energie?

potenziell: von lateinisch „potentia“: Macht, Kraft, Leistung

Du hast nun schon gelernt, dass du Arbeit leisten musst, um ein Buch vom Boden auf einen Tisch zu heben. Die Arbeit, um ein Buch mit einer Masse von 1 kg 1 m hoch zu heben, beträgt 10 J. Aber um diese Arbeit verrichten zu können, benötigst du Energie.

Diese Energie liefert dein Körper.

ag

aufprallen: aufschlagen

Beim Hochheben überträgst du die Energie deines Körpers auf das Buch. Mit der Energie, die in deinem Körper steckt, kannst du also Arbeit verrichten. Arbeit ist der Vorgang der Energieübertragung. Die Energie, die dabei übertragen wird, wird ebenfalls in J angegeben.

Ein Ei liegt auf dem Tisch.

Es hat potenzielle Energie.

erl

Mit Energie kann Arbeit verrichtet werden.

Sowohl Energie als auch Arbeit werden in Joule (J) gemessen.

Welche Arten von Energie gibt es?

mp eV

Ein Ei, das auf einem Tisch liegt, ist in Ruhe. Beim Herunterfallen wird es schneller. Wenn es auf den Boden aufschlägt, wird es abgebremst. Dabei zerbricht es.

Was geschieht dabei?

Das Ei auf dem Tisch befindet sich hoch über dem Boden. Durch die Höhe ist Energie in ihm gespeichert. Beim Herunterfallen wird diese Energie in Bewegung umgewandelt. Wenn es auf dem Boden aufprallt, wird diese Bewegungsenergie erneut umgewandelt. Sie führt dazu, dass das Ei verformt wird und zerbricht.

Das Ei fällt herunter. Aus der potenziellen wird kinetische Energie.

Potenzielle Energie – Energie der Lage

Um einen Körper in die Höhe zu heben, muss Arbeit gegen die Schwerkraft verrichtet werden. Der Körper gewinnt dabei Energie. Die Energie, die in ihm dadurch gespeichert wird, wird „potenzielle Energie“ oder „Energie der Lage“ genannt.

Die Arbeit beim Hochheben ist Kraft mal Weg. Die Kraft, die benötigt wird, ist umso größer, je schwerer der Körper ist. Die Arbeit hängt aber auch von der Höhe ab, um die er gehoben wird.

Das Ei zerbricht beim Aufschlag. Die freiwerdende kinetische Energie verformt es.

Die potenzielle Energie eines Körpers hängt von seiner Masse und von seiner Höhe ab.

Oly

Überlege, welche potenzielle Energie in deiner Schultasche gespeichert ist, wenn du sie hochhebst! Versuche, sie auszurechnen!

Beim Hochheben der Kisten wird Energie gespeichert.

kinetisch: von griechisch „kinesis“: Bewegung

Beim Herunterfallen der Kisten wird die Energie in Bewegung umgewandelt.

Kinetische Energie – Energie der Bewegung Beim Herunterfallen wird die gespeicherte potenzielle Energie wieder frei. Sie führt dazu, dass der Körper beschleunigt wird. Er gewinnt an Geschwindigkeit. Auch in der Bewegung des Körpers steckt Energie. Sie heißt „kinetische Energie“ oder „Energie der Bewegung“.

Die kinetische Energie eines Körpers hängt von seiner Masse und von seiner Geschwindigkeit ab.

Mechanik Energieumwandlung in Ruhe

Verhalten von festen Körpern:

Kann Energie vernichtet werden?

erl

ag

Beim Herunterfallen wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Eine Kugel, die eine schräge Fläche hinunterrollt, wird immer schneller. Je weiter sie hinunterrollt, desto mehr wird von der potenziellen Energie in Bewegung umgesetzt. Wenn sie dann die waagrechte Fläche erreicht hat, ist aus ihrer gesamten potenziellen Energie kinetische Energie geworden.

43

Je länger die Kugel danach auf der Ebene dahin rollt, desto langsamer wird sie.

Doch was geschieht mit ihrer kinetischen Energie?

Plastische Körper: Hier führt die Zufuhr von Energie dazu, dass sie sich verformen.

mp eV

Beim Rollen gibt es eine Reibungskraft zwischen der Kugel und dem Untergrund.

Diese Reibungskraft bremst die Kugel ab und entzieht ihr kinetische Energie. Diese Energie geht jedoch nicht verloren, sondern wird in andere Formen der Energie umgewandelt.

Durch Reibung entsteht Wärme. Wenn dir kalt ist und du deine Hände aneinander reibst, spürst du, wie deine Handflächen warm werden. Die Bewegungsenergie deiner Hände wird durch die Reibung zu Wärme. Wärme ist eine weitere Form von Energie.

Auch die kinetische Energie der Kugel wird durch die Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Energie geht also nicht verloren, sondern wird immer von einer Energieform in eine andere übergeführt.

Energieerhaltungssatz: Energie kann nicht erzeugt und nicht vernichtet werden. Energie kann nur von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt werden.

Das Perpetuum Mobile

Oly

Ein Perpetuum Mobile ist ein Gerät, das sich „ewig bewegt“. Nach dem Energieerhaltungssatz wäre es möglich, dass sich die Kugeln dieses Gerätes ewig bewegen. Allerdings gibt es Reibung mit der Luft und an den Punkten, an denen die Kugeln aufgehängt sind. Daher kommen die Kugeln nach einiger Zeit zum Stillstand.

In der Vergangenheit wollten Forscher immer wieder ein Perpetuum Mobile herstellen.

Dieses sollte sich nicht nur ewig weiterbewegen, sondern dabei auch noch Energie erzeugen. Das ist ihnen aber bis heute nicht gelungen. Es wird ihnen auch nie gelingen, da es dem Energieerhaltungssatz widerspricht.

Elastische Körper: Diese speichern wie ein Ball aus Gummi bei der Verformung die Energie. Diese Energie können sie wieder in kinetische Energie umwandeln.

Spröde Körper: Diese zerbrechen, wenn ihnen zu viel Energie zugeführt wird.

Findet andere Beispiele für plastische, elastische und spröde Gegenstände!

Perpetuum Mobile: aus dem Lateinischen – etwas sich ständig Bewegendes

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Mechanik Energie und Beschleunigung

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Energie kann in vielen Formen auftreten

Potenzielle Energie, kinetische Energie und Wärmeenergie kennst du bereits. Diese Energieformen können ineinander umgewandelt werden. Energie kann aber noch in vielen anderen Formen auftreten. Viele dieser Energieformen werden von uns genutzt.

mp eV

Verformung = Reibung Knetmasse besteht aus vielen kleinen Teilchen, die aneinander haften. Um ein Stück Knetmasse zu verformen, musst du die Reibung zwischen diesen Teilchen überwinden. Man spricht daher von „innerer Reibung“.

Um ein Fahrzeug zu beschleunigen, muss ihm Energie zugeführt werden. Bei einem Auto erfolgt das durch den Motor. Die kinetische Energie, die in einem fahrenden Auto steckt, hängt von seiner Masse und von seiner Geschwindigkeit ab. Diese kinetische Energie muss wieder „vernichtet“ werden, damit das Auto stehen bleibt. Sie muss also in eine andere Energieform umgewandelt werden. Normalerweise wird die Energie in den Bremsen in Wärme umgewandelt. Bei einem Unfall führt die kinetische Energie aber auch zu einer Verformung des Autos.

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Wenn du mit dem Fahrrad, mit einem Skateboard oder mit Rollerskates unterwegs bist, fahre immer so, dass du sicher stehen bleiben kannst! Überlege, wie die Energie bei einem Unfall in deinem Körper umgewandelt wird!

Energiequelle: Energieform, aus der durch Umwandlung Energie in einer anderen Form hergestellt werden kann Überlegt, in welche Energieformen bei euch zu Hause elektrische Energie umgewandelt wird!

Elektrische Energie wird kaum direkt genutzt.

Sie ist eine Energieform, in die andere Energieformen sehr leicht umgewandelt werden können. Daher werden in Kraftwerken verschiedene andere Energiequellen genutzt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen.

Elektrische Energie kann sehr leicht über große Entfernungen transportiert werden.

Sie wird in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens genutzt. Mit ihr können Motoren betrieben oder Räume beleuchtet werden.

Aber auch Computer oder Fernseher würden ohne elektrische Energie nicht funktionieren.

Auf Lebensmitteln ist der Energiegehalt in kJ (Kilojoule) angegeben. Sieh im Supermarkt nach, welche Nahrungsmittel besonders energiereich sind, und berichte davon in der Klasse!

In Umspannwerken wird die elektrische Energie auf alle Häuser und Wohnungen verteilt.

Wenn elektrische Energie verwendet wird, wird ein großer Teil davon in Wärme umgewandelt.

D Chemische Energie

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Energie in der Nahrung Nicht alle Nahrungsmittel enthalten gleich viel Energie. Zucker ist besonders energiereich und kann von unserem Körper sehr leicht genutzt werden.

Wenn du vor einer Schularbeit ein Stück Zucker isst, kannst du dich besser konzentrieren.

D Elektrische Energie

Dein Körper braucht Energie, um sich zu bewegen. Aber auch wenn du dich nicht bewegst, wird Energie benötigt. Diese Energie erhältst du durch die Nahrung. Dein Körper nimmt verschiedene Stoffe aus der Nahrung auf und wandelt sie in andere um. Dabei gewinnt er Energie.

Solche Umwandlungen zwischen verschiedenen Stoffen sind meist mit der Umwandlung von Energie verbunden. Wenn z. B. Holz verbrennt, erfolgt ebenfalls eine Umwandlung von Stoffen.

Dabei wird Energie in Form von Wärme frei. Diese können wir zum Beheizen unserer Wohnung nutzen.

Mechanik

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D Die Sonne als Energiequelle

mp eV

Auch in Österreich findet man zahlreiche Windparks. Der Wind versetzt große Windräder in Drehung. Daraus wird elektrische Energie gewonnen. Aber die Energie, die im Wind steckt, stammt von der Sonne. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche sehr unterschiedlich. Meere erwärmen sich langsamer als das Land. Durch die Temperaturunterschiede entsteht der Wind.

D Die Sonne liefert Wasserenergie

Im Wasser, das in Flüssen zum Meer fließt, ist sehr viel Energie enthalten. Diese wird in zahlreichen Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Aber auch diese Energie stammt von der Sonne. Die Wärme der Sonne verdunstet das Wasser. Dieses fällt als Regen wieder auf die Erde. Das Regenwasser fließt in die Flüsse, die die Kraftwerke antreiben.

D Holz, Biomasse und fossile Energie stammen von der Sonne

Pflanzen nutzen die Sonnenenergie für die Fotosynthese. Sie speichern die Sonnenenergie.

Wenn wir Holz verbrennen oder Biomasse zur Energiegewinnung nutzen, gewinnen wir diese Energie wieder zurück.

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Aus Pflanzen und Tieren, die vor vielen Mio. Jahren gelebt haben, entstanden Erdöl, Erdgas und Kohle.

Wenn wir fossile Brennstoffe verwenden, nutzen wir also Sonnenenergie, die viele Mio. Jahre lang gespeichert war.

Woher hat die Sonne ihre Energie?

Unter den Bedingungen, wie sie im Inneren der Sonne herrschen, wird ein Teil der Sonnenmaterie direkt in Energie umgewandelt. Während sie Energie produziert, wird die Sonne also immer leichter. Auch hier gilt der Energieerhaltungssatz: Energie entsteht nicht aus dem Nichts, sie wird aus Materie erzeugt.

Montage: Zusammenbau, Aufbau

Alternativenergie Durch die jahrzehntelange Nutzung von fossilen Brennstoffen sind große Mengen von Abgasen in die Erdatmosphäre gelangt.

Dadurch ändert sich das Klima auf der Erde. Um die Auswirkungen des Klimawandels zu vermindern, werden bei uns immer öfter alternative Energiequellen genutzt und Solaranlagen oder Windparks errichtet.

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Wir beziehen aber viel mehr Energie von der Sonne als Montage einer Solaranlage auf einem Hausdach die, die wir in Solaranlagen nutzen.

D Die Sonne liefert Windenergie

Solar: leitet sich vom römischen Sonnengott Sol ab

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Die Energie, die die Sonne ständig auf die Erde überträgt, ist 10 000 Mal mehr, als von allen Menschen auf der Erde benötigt wird. Daher ist es naheliegend, diese Energie auch zu nutzen. Immer häufiger sieht man Solaranlagen auf den Dächern von Häusern, die die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Andere Anlagen nutzen die Wärme der Sonne, um Wasser für die Heizung zu erwärmen.

Alternativenergie: Energie, die nicht aus Kohle, Erdgas oder Erdöl gewonnen wird Atmosphäre: Lufthülle unserer Erde

Biomasse: Stoffe, die von Lebewesen erzeugt werden Mio.: Millionen fossil: sehr alt

Im Inneren der Sonne Die Temperatur im Inneren der Sonne beträgt etwa 15 Mio. °C.

°C: „Grad Celius“, Einheit der Temperatur Sonnenmaterie: Material, aus dem die Sonne besteht

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Mechanik Die Leistung Stephanie und Martin helfen ihren Eltern beim Übersiedeln.

Beide haben eine Kiste vor sich auf dem Boden stehen, aus der sie Bücher in das Regal stellen sollen. „Wer mit seiner Kiste als Erster fertig ist, hat gewonnen!“, ruft Martin plötzlich.

Stephanie stimmt zu und auf Kommando beginnen beide gleichzeitig mit der Arbeit. „Fertig!“, ruft Stephanie als Erste.

Ihre Mutter kommt und klopft ihr anerkennend auf die Schulter. „Tolle Leistung!“, meint sie.

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James Watt Der schottische Erfinder James Watt baute als einer der Ersten eine funktionierende Dampfmaschine.

Stephanie und Martin haben dieselbe Arbeit verrichtet. Ihre Bücher waren gleich schwer und sie mussten sie gleich hoch heben, um sie ins Regal zu stellen. Die Zeit, die sie für ihre Arbeit benötigt haben, war aber unterschiedlich. Stephanie hat dieselbe Arbeit in weniger Zeit geschafft. Daher war ihre Leistung größer als die von Martin.

Leistung = Arbeit pro Zeit, P =

mp eV

Wie misst man Energie?

An Stromzählern findet man meist die Einheit „kWh“ für die verbrauchte elektrische Energie. Die Energie von 1 Kilowattstunde verbraucht man, wenn eine Leistung von 1 kW 1 Stunde lang erbracht wird.

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Aber was ist eigentlich Leistung?

Wo hast du „Mega“ sonst schon gehört?

W t

Die Leistung wird mit „P“ bezeichnet. P steht für das englische Wort „power“. Die Einheit der Leistung ist das Watt. Die Leistung von 1 Watt erbringst du, wenn du in einer Sekunde Arbeit von 1 J verrichtest. Wenn du z. B. ein Buch mit 1 kg in einer Sekunde auf einen 1 m hohen Tisch legst, ist deine Leistung 10 Watt.

Da das Watt eine sehr kleine Einheit ist, wird die Leistung sehr oft in kW (Kilowatt = 1 000 Watt) oder in MW (Megawatt = 1 Mio. Watt) angegeben.

Leistung in der Technik

Bis vor etwa 200 Jahren verwendeten die Menschen vor allem Pferde, um Lasten zu bewegen. Dann erfand James Watt die Dampfmaschine. Um die Leistung seiner Maschinen angeben zu können, verglich er sie mit der Leistung von Pferden. Er sagte, ein Pferd sei in der Lage, in einer Sekunde eine Masse von 75 kg 1 m hoch zu heben und bezeichnete diese Leistung als „Pferdestärke“ oder „PS“.

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Die mechanische Arbeit ist von der Kraft und vom Weg abhängig. Sie wird in Newtonmeter (Nm) gemessen und mit „W“ abgekürzt. Man unterscheidet Hub-, Reibungs- und Verformungsarbeit. Um Arbeit zu verrichten, benötigt man Energie. Die Einheit der Energie ist das Joule (J).

Neben der kinetischen und der potenziellen Energie gibt es noch viele andere Arten von Energie. Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur von einer Art in eine andere umgewandelt werden. Die Leistung ist die Arbeit, die in einer bestimmten Zeit verrichtet wird. Sie wird in Watt (W) angegeben.

Pferdestärke 1 PS

t=1s

h=1m

{

m = 75 kg

Lange Zeit wurde die Leistung von Motoren in PS angegeben. Heute ist diese Einheit jedoch nicht mehr üblich. Die Leistung von Motoren wird allgemein in kW angegeben.

1 kW entspricht 1,33 PS. Umgekehrt gilt: 1 PS ist 0,75 kW. Auch wenn man die Leistung heute nicht mehr in PS misst, findet man diese Einheit noch häufig bei der Angabe der Leistung von Automotoren.

Ferrari F12 Berlinetta | 545 kW = 740 PS

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Mechanik 47

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Arbeit in der Lagerhalle – Robert muss mit seinem Gabelstapler Kisten auf ein Regal heben. Berechne, welche Arbeit jeweils geleistet wird! %%%% Info: In jedem Regal gibt es vier mögliche Plätze für die Kisten. Diese befinden sich in einer Höhe von 4,5 m, 3 m, 1,5 m oder direkt auf dem Boden.

geleistete Arbeit: ___________ J

b) Eine besonders schwere Kiste mit 1 000 kg stellt Robert direkt auf den Boden.

geleistete Arbeit: ___________ J

c) Die leichteste Kiste mit 100 kg hebt Robert in das oberste Regalfach.

geleistete Arbeit: ___________ J

d) Eine Kiste mit 500 kg stellt Robert in das zweite Fach von unten.

geleistete Arbeit: ___________ J

mp eV

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a) Eine Kiste mit einer Masse von 250 kg soll in das zweite Fach von oben gehoben werden.

Oly

2) Energiespeicherung – Energie kann als elastische Energie oder als potenzielle Energie gespeichert werden.

Betrachte die Bilder! Wenn die Energie als elastische Energie gespeichert wird, schreibe ein „E“ in den Kreis!

Falls Energie als potenzielle Energie gespeichert wird, schreibe „P“ in den Kreis!%%

3) Perpetuum Mobile – Erkläre, was man unter einem Perpetuum Mobile versteht!%%

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Ein Perpetuum Mobile ist

48 Mechanik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

3

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Zum Jahreswechsel feuert auch Sandras Mutter eine Silvesterrakete ab. Nachdem diese gezündet worden ist, fliegt sie mit hoher Geschwindigkeit in die Luft.

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2

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Rocky will vor seinen Freunden mit seinem neuen Auto angeben. Er beschleunigt und steigt dann voll auf die Bremse. Die Reifen blockieren und werden so heiß, dass sie zu qualmen beginnen.

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Julia nimmt an einem Campinglager teil. Als es am Abend kühl wird, wird ein Lagerfeuer angezündet, um sich zu wärmen.

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Mit dem elektrischen Bügeleisen bügelt Lisa ihre Jeans. Durch die Wärme des Bügeleisens werden die Falten aus dem Stoff entfernt.

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P

Marcel steht mit seinem Fahrrad auf einem Hügel. Ohne in die Pedale zu treten, lässt er sich den Hügel hinabrollen und wird dabei immer K schneller.

mp eV

1

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4) Energieumwandlung – In den folgenden Texten werden alltägliche Vorgänge beschrieben. Finde heraus, welche Energieform in welche andere umgewandelt wird, und setze so wie im ersten Beispiel die richtigen Buchstaben ein! %%%

P: potenzielle Energie K: kinetische Energie W: Wärmeenergie E: elektrische Energie C: chemische Energie

5) Der tägliche Energiebedarf – Dein Körper verbraucht täglich eine Energie von ca. 10 000 kJ, die du mit der Nahrung aufnehmen musst. Unten findest du eine Tabelle mit dem Energiegehalt einiger Lebensmittel. Stelle einen Speiseplan für einen Tag so zusammen, dass du genau diese Energiemenge zu dir nimmst! %%%%

Mein Speiseplan:

Frühstück: _____________________________ __________________________( ______ kJ) Mittagessen: ___________________________ __________________________( ______ kJ) Abendessen: ____________________________ __________________________( ______ kJ) Zwischendurch: _________________( ______ kJ)

Übrigens: Etwa ein Viertel der Energie wird von deinem Gehirn verbraucht!

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Oly

Energiegehalt von Lebensmitteln (in kJ) 1 Scheibe Brot 500 1 Ei 600 1 Glas Milch 500 1 Glas Cola 650 Fleisch, Wurst (100g) 1 000 Gemüse (100 g) 150 Kartoffeln (100 g) 500 1 Banane 400 1 Stück Kuchen 1 500 1 Tafel Schokolade 2 300 1 Tüte Gummibärchen 1 500 Nudeln (100 g) 1 500 1 Apfel 400 Fisch (100 g) 700

Mechanik

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10. EINFACHE MASCHINEN

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Florian fährt mit seinem Fahrrad durch die Stadt. Plötzlich steht er vor einer Treppe. Er nimmt sein Fahrrad und trägt es mühsam Stufe für Stufe nach oben. Als er das Hindernis beinahe überwunden hat, sieht er seinen Freund Murat mit dem Rad an sich vorbeifahren. Er stellt überrascht fest, dass sich neben den Stiegen eine Rampe für Rollstuhlfahrer und Kinderwagen befindet. Murat hat diese Rampe benutzt und konnte so den Höhenunterschied viel rascher und einfacher überwinden.

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Treppe mit Rampe

Der Bau der Pyramiden Bereits vor 4 000 Jahren nutzten die Ägypter vermutlich die Schiefe Ebene zum Bau ihrer Pyramiden. Sie schütteten dazu rund um die Pyramide Sand auf. Auf dieser Rampe zogen sie die schweren Steine nach oben. Zum Schluss entfernten sie den Sand wieder.

Ohne es zu wissen, hat Murat eine einfache Maschine verwendet. Diese setzen die Menschen schon seit vielen tausend Jahren ein, um sich die Arbeit zu erleichtern.

Diese einfache Maschine nennt man Schiefe Ebene.

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Die Arbeit, die Florian und Murat leisten mussten, war dieselbe. Allerdings hat Murat einen längeren Weg zurückgelegt. Daher war die Kraft, die er aufwenden musste, geringer. Der Weg von Florian war kürzer, dafür musste er bei jeder Stufe eine höhere Kraft aufwenden. Die Kräfte und die Wege waren also bei Florian und Murat unterschiedlich.

Ganz allgemein sind einfache Maschinen Vorrichtungen, die die Größe, den Angriffspunkt oder die Richtung einer Kraft verändern. Auf diese Weise werden verschiedene Tätigkeiten der Menschen vereinfacht.

Die Schiefe Ebene

Eine Schiefe Ebene ist eine Rampe, mit deren Hilfe Lasten nach oben bewegt werden können. Auf der Abbildung siehst du die auftretenden Kräfte. Die FH Gewichtskraft FG ist die Kraft, die Florian überwinden musste, um sein Rad auf die nächste Stufe zu heben. Murat musste nur die Kraft FH überwinden, die viel geringer ist. FH ist die Kraft, FG die versucht, einen Körper auf einer Schiefen Ebene nach unten gleiten zu lassen. Sie ist umso geringer, je kleiner der Steigungswinkel α ist. Der Körper drückt mit der Normalkraft FN auf die Oberfläche der Schiefen Ebene.

Vorrichtung: einfaches Gerät oder Werkzeug Wo kann eine Schiefe Ebene auch notwendig sein, um Lasten nach unten zu bewegen? Welche Vorteile bietet sie in diesem Fall?

FN

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Schiefe Ebenen begegnen uns ständig. Jede Straße, die einen Berg hinaufführt, ist eine Schiefe Ebene.

Auf besonders steilen Straßen wird auf die Steigung mit einem eigenen Verkehrszeichen hingewiesen. Die Angabe der Steigung erfolgt hier in Prozent (%). So wird angegeben, wie viele Meter man an Höhe gewinnt, wenn man auf der Straße 100 m zurücklegt.

Ein anderes Beispiel für eine Schiefe Ebene, das du sicherlich kennst, ist die Rutsche.

Verkehrszeichen mit Steigung

Eine Rutsche ist eine Schiefe Ebene.

Betrachte das Foto des Verkehrszeichens! Wenn du auf dieser Straße 100 m zurücklegst, wie viele Meter gewinnst du dabei an Höhe?

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Mechanik Der Keil

Axt: Werkzeug zum Umschneiden von Bäumen und zum Spalten von Holz, auch „Hacke“ oder „Beil“ genannt

FN

FN

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Keil

Ein Keil ist ein Werkzeug, das aus zwei Schiefen Ebenen zusammengesetzt ist. Die beiden Seitenflächen laufen in einem spitzen Winkel zusammen. Wie du am Kräfteparallelogramm siehst, entsteht eine sehr große Normalkraft FN, wenn man an der flachen Seite des Keils Kraft aufwendet.

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Ein Keil kann zum Spalten von Holz verwendet werden. Die Spitze des Keils wirkt wie die Schneide eines Messers und dringt ein Stück ins Holz ein. Wenn man dann auf den Keil schlägt, drückt die Normalkraft das Holz zusätzlich auseinander. Jede Axt wirkt wie ein Keil.

Aber auch ein Messer nutzt diese Wirkung, wenn du z. B. Brot damit schneidest. Auch wenn du einen Nagel ins Holz schlägst, wirkt der Nagel wie ein Keil.

Schraube mit Mutter

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Mutter: Gegenstück zur Schraube, dient zum Befestigen

Holzspalten mit Keilwirkung mit einer Axt

Zylinder: runder länglicher Körper

Anwendungen von Schrauben Schrauben werden häufig auch dazu verwendet, um feines Material wie Getreide oder Sand zu transportieren. Oft nennt man diese Schrauben „Schnecken“.

Die Schraube

Eine Schraube ist eine Schiefe Ebene, die kreisförmig um einen Zylinder gewickelt ist.

Durch Drehen der Schraube können Flüssigkeiten nach oben befördert werden. Erfunden wurde die Schraube vom griechischen Wissenschaftler Archimedes, von dem du schon gehört hast.

Deshalb nennt man sie auch „Archimedische Schraube“.

Schrauben werden heute in der Technik vielseitig verwendet. Man kann damit verschiedene Materialien miteinander verbinden. Auch Schiffe werden mit Schrauben angetrieben.

Die Stange

Schraube zum Anheben von Flüssigkeiten

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Oft möchte man eine Kraft an einer Stelle anwenden, die schlecht zu erreichen ist.

Betrachte das Bild des Handwagens. Die Kraft sollte vorne zwischen den Rädern angreifen. Es wäre aber sehr unbequem, den Wagen dort zu ziehen.

Schiffsschraube

Überlegt gemeinsam! Wo habt ihr selbst schon eine Stange verwendet, um euch die Arbeit zu erleichtern?

Mit Hilfe einer Stange kann der Angriffspunkt der Kraft verändert werden. Man kann daher den Wagen ganz leicht bewegen.

Stange als Handgriff eines Wagens

Mechanik

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Der Hebel Bei einer Balkenwaage müssen an beiden Seiten des Balkens gleiche Massen angebracht werden. Dann wirken auf beiden Seiten dieselben Kräfte und halten den Balken waagrecht. Die Stelle, an der der Balken drehbar aufgehängt ist, nennt man Angel- oder Drehpunkt.

Anwendungsbeispiele des Hebelgesetzes:

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Angel- oder Drehpunkt

F1 =F2

mp eV

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Wenn sich der Angelpunkt nicht in der Mitte des Balkens befindet, muss man an einer Seite eine größere Masse anbringen, damit der Balken wieder waagrecht steht. Dann wirkt auf einer Seite eine größere Kraft als auf der F1 =F2 anderen. So ähnlich ist es auch auf einer Wippe. Wenn ihr zu zweit schaukelt und nicht genau gleich schwer seid, dann muss der Schwerere etwas weiter zur Mitte rücken, damit ihr schaukeln könnt.

So einen Balken, der drehbar gelagert ist und auf den an beiden Seiten Kräfte wirken, nennt man Hebel. Hebel werden meist verwendet, um schwere Lasten mit einem geringen Kraftaufwand hochzuheben. Dazu muss die Last näher beim Angelpunkt sein als die Stelle, an der man den Hebel hinunterdrückt.

Kraftarm (a1)

Lastarm (a2)

Wippe

Versuch Führt die Experimente „Der einseitig Hebel“, „Der zweiseitige Hebel“ und „Verteilung einer Last“ Auf S. 129 und 130 durch!

Kraft (F1)

Last (F2)

Den Teil des Balkens zwischen Angelpunkt und der Last nennt man Lastarm. Der andere Teil, an dem die Kraft wirkt, wird Kraftarm genannt. Wenn die Last zehnmal so groß ist wie die Kraft, die man aufbringt, muss der Kraftarm zehnmal so lang sein wie der Lastarm. Allgemein gilt das Hebelgesetz:

Zange

Kraft mal Kraftarm ist gleich Last mal Lastarm F1 • a1 = F2 • a2

Einseitige und zweiseitige Hebel

Oly

Die Balkenwaage und die Wippe sind Beispiele für zweiseitige Hebel. Der Angelpunkt befindet sich dabei zwischen der Last und der Kraft. Bei einseitigen Hebeln sind Last und Kraft auf derselben Seite. Trotzdem gilt das Hebelgesetz. Ein Beispiel für einen einseitigen Hebel ist die Scheibtruhe.

Der Angelpunkt befindet sich beim Rad. Der Lastarm ist der Abstand zwischen dem Rad und dem Inhalt der Scheibtruhe. Der Kraftarm ist der Abstand zwischen dem Rad und den Handgriffen. Mit einer Scheibtruhe können Massen transportiert werden, die zu schwer zum Tragen sind.

Scheibtruhe

F1 F2

F1

F2

Schraubenschlüssel

Archimedes und der Hebel Auch das Hebelgesetz geht auf Archimedes zurück.

Nachdem er das Hebelgesetz entdeckt hatte, soll er gesagt haben: „Gebt mir einen festen Punkt und ich werde die Welt aus den Angeln heben.“

Was wollte Archimedes mit diesem Satz ausdrücken?

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Mechanik Das Drehmoment Bist du schon einmal durch eine Drehtür gegangen? Wenn du gegen die Tür drückst, dann beginnt sie sich zu drehen und du kannst hindurchgehen. Je weiter vom Drehpunkt entfernt du gegen die Tür drückst, desto leichter fällt es dir. Hier wirkt ebenfalls das Hebelgesetz. Allerdings wird bei der Drehtür keine Last gehoben, sondern ein Gegenstand – die Tür – in Drehung versetzt.

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Wo überall tritt ein Drehmoment auf? Sammelt Beispiele!

Moment: physikalische Größe, die in eine Richtung gerichtet ist und etwas bewirkt

Die Kraft, die du aufwendest, verursacht eine Drehwirkung.

Diese wird Drehmoment genannt. Das Drehmoment ist umso größer, je stärker die Kraft ist und je länger der Hebelarm ist, an dem sie wirkt. Es wird mit dem Buchstaben „M“ abgekürzt.

Drehtür

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physikalische Größe: etwas, was in der Physik gemessen werden kann, z. B. Spannung, Masse, Kraft

Das Drehmoment ist Kraft mal Kraftarm M = F•a

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Bei einem Hebel tritt an beiden Seiten ein Drehmoment auf. Wenn bei einer Balkenwaage ein Drehmoment größer ist als das andere, dann senkt sich eine der Waagschalen. Dabei wird eine Drehung verursacht. Im Gleichgewicht sind beide Drehmomente gleich groß und es gilt das Hebelgesetz.

Das Seil

Seile werden auch zum Transport von Lasten mit dem Hubschrauber verwendet.

Auch das Seil ist eine einfache Maschine. Wie bei der Stange kann damit der Angriffspunkt einer Kraft verändert werden. Beim Abschleppen von Fahrzeugen, beim Hochziehen von Lasten oder auch beim Wasserschifahren kommen Seile zum Einsatz.

Wasserschifahrerin

Die Rolle

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Mit Hilfe einer Rolle kann die Richtung der Kraft an einem Seil verändert werden. Vor allem beim Hochziehen von Lasten sind Rollen eine große Arbeitserleichterung. Wenn man von unten am Seil zieht, wird die Last nach oben gehoben.

Wenn die Rolle so wie hier an einem Balken fix montiert ist, so spricht man von einer „festen Rolle“. Die Stärke der Kraft wird feste Rolle in diesem Fall nicht verändert.

20 cm

Feste Rolle an einem Balken

Feste Rollen wurden früher oft verwendet, um Wasser aus einem Brunnen zu holen. montieren: etwas befestigen

Um eine Kraftersparnis zu erreichen, muss man 50 N eine „lose Rolle“ verwenden. Diese ist nicht fix montiert, sondern befindet sich direkt bei der Last. Wird die Last ein Stück hochgehoben, ist der Weg des Seils doppelt so lang. Die 100 N aufgebrachte Arbeit ist dieselbe. Daher ist die erforderliche Kraft nur halb so groß.

10 cm

100 N

lose Rolle

10 cm 100 N 10 cm

Mechanik

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Der Flaschenzug

2 Rollen

50 N

3 Rollen

4 Rollen

331/3 N

25 N

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Ein Flaschenzug besteht aus mindestens zwei Rollen, die mit einem Seil verbunden sind. Mit jeder zusätzlichen Rolle verringert sich die Kraft, die man aufwenden muss.

Dafür wird der Weg des Seils länger. Auch der Flaschenzug wurde von Archimedes erfunden.

20 cm

30 cm

10 cm

Welle: Stab, mit dem eine Drehbewegung übertragen wird

40 cm

100 N

100 N

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100 N

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Flaschenzüge an einem Kran

10 cm

10 cm

Flaschenzüge werden verwendet, um mit geringer Kraft große Lasten zu heben. Man findet sie heute an jedem Kran. Bei Segelschiffen werden sie zum Bedienen der Segel benötigt.

Wellräder und Fahrräder Auch auf deinem Fahrrad findest du ein Wellrad. Die Tretkurbel ist viel länger als der Durchmesser des Kettenrades, das du damit drehst. Dadurch kannst du eine sehr große Kraft auf das Hinterrad übertragen.

Der Name „Flaschenzug“ kommt von den Halterungen der Rollen, die „Flaschen“ genannt werden.

Flaschenzug auf einem Segelschiff

„Flasche“

Das Wellrad und die Kurbel

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Ein Wellrad besteht aus einem Rad, das auf einer Welle montiert ist. Diese Welle wirkt wie eine Rolle mit einem kleineren Durchmesser. Auf ihr befindet sich ein Seil, das aufgewickelt wird, wenn man am Rad dreht. Daran hängt die Last. Der Weg, den man beim Drehen mit dem Rad zurücklegt, ist größer als die Seillänge, die aufgewickelt wird. So kann man mit einer geringen Kraft eine große Last heben.

Wellrad

Anstatt des Rades kann auch eine Kurbel verwendet werden.

Die goldene Regel der Mechanik

Einfache Maschinen werden dazu verwendet, um Kraft zu sparen. Dafür muss aber ein größerer Weg zurückgelegt werden: Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren.

Kurbel: Hebel, mit dem etwas gedreht werden kann Kurbeln werden in vielen Bereichen angewandt. Wer findet die meisten Beispiele?

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Mechanik Einfache Maschinen und ihre Anwendung in der Technik

Das Getriebe

Sicher hast du schon gehört, dass ein Auto verschiedene „Gänge“ hat. Bei einem niedrigen Gang hat das Auto sehr viel Kraft, dafür legt es pro Sekunde nur einen geringen Weg zurück. Bei einem hohen Gang wird die Kraft des Motors in eine hohe Geschwindigkeit umgesetzt.

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Wo finden sich in der Technik sonst noch einfache Maschinen? Sammelt Beispiele im Internet und präsentiert eure Ergebnisse!

Getriebe sind Bestandteil vieler Maschinen. Vielleicht kennst du es vom Auto. Es besteht aus zahlreichen Einzelteilen, die die Kraft eines Motors umformen. Das Getriebe funktioniert nach dem Prinzip des Wellrades. Der Motor liefert immer dieselbe Kraft. Die Kraft des Motors kann mit einem Getriebe entweder vergrößert oder verkleinert werden.

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Auch in einem Uhrwerk findet sich ein Getriebe, das die Zeiger antreibt.

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Das Prinzip der einfachen Maschinen findet sich in zahlreichen Gebieten der Technik wieder. Auch wenn sie nicht auf den ersten Blick zu sehen sind, sind sie Bestandteil von Motoren und anderen Maschinen.

Der Kran

Kräne können sehr große Lasten heben.

Der Motor, der einen Kran antreibt, muss dazu nicht allzu stark sein. Über ein Getriebe am Kran wird die Kraft vergrößert. Zusätzlich wird das Prinzip des Flaschenzugs genutzt.

Das Hochheben von Lasten geht zwar nur sehr langsam, dafür können sie aber sehr schwer sein.

Die Seilzugleiter

Oft benötigt man sehr lange Leitern, um auf hohe Bäume oder Gebäude zu gelangen. In diesem Fall verwendet man keine einzelne lange Leiter, sondern eine Leiter, die aus mehreren kurzen Stücken zusammengesetzt ist. Zwischen den Stücken verläuft ein Seil über Rollen. Damit kann die Länge der Leiter geändert werden. Die Seilzugleiter nutzt das Prinzip von Seil und Rolle, um die Kraft umzulenken und den Angriffspunkt der Kraft zu ändern.

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Die Aufgaben der Feuerwehr Die Feuerwehr ist nicht nur zum Löschen von Bränden da, sondern hat auch viele andere Aufgaben. Sie rettet eingeklemmte Menschen nach Unfällen aus Autos, schleppt beschädigte Fahrzeuge ab, entfernt umgestürzte Bäume und hilft bei Sturm und Überschwemmungen.

Wenn du Hilfe brauchst, wähle den Notruf: 122 Feuerwehr internationale 112 Notrufnummer

Einfache Maschinen dienen dazu, den Angriffspunkt, die Richtung oder die Stärke einer Kraft zu verändern.

Dabei gilt die Goldene Regel der Mechanik: „Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren.“

Getriebe eines Autos

Besonders lange Seilzugleitern werden von der Feuerwehr benutzt.

Sie kann damit das Feuer von oben löschen oder Menschen aus hohen Gebäuden retten.

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Mechanik 55

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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Hebel Keil Kurbel Rolle Seil Schiefe Ebene Schraube Stange Wellrad

mp eV

1 2 3 4 5 6 7 8 9

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1) Einfache Maschinen im Haushalt – Auf den folgenden Bildern sind verschiedene Gegenstände zu sehen.

Finde heraus, welche einfache Maschine bei jedem Gegenstand zum Einsatz kommt, und trage die richtigen Ziffern in die Kreise ein! %%%

2) Arbeiten mit Hebeln – Archimedes gibt dir eine Rechenaufgabe auf. Berechne, welche Kraft du jeweils in Pfeilrichtung aufwenden musst, um die Last hochzuheben! Achtung: Es ist die MASSE der Last angegeben! %%%% 3m

1m

F = _______ N

30 kg

F = _______ N 1m

0,5 m

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F = _______ N

10 kg

1m

3m

15 kg

F = _______ N 2m

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20 kg

1m

56 Mechanik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Komplizierte Flaschenzüge – Neben dem „normalen“ Flaschenzug gibt es auch noch den Potenzflaschenzug (PF) und den Differenzialflaschenzug (DF). Lies die Texte aufmerksam durch und entscheide dann, welche der Aussagen bei welchem Flaschenzug zutrifft! Wenn du alles richtig gemacht hast, erhältst du ein Lösungswort! %%%% Der Differenzialflaschenzug

Beim Potenzflaschenzug werden mehrere lose Rollen und mehrere Seile miteinander verbunden. Jedes Seil ist an einer festen Aufhängung und an einer losen Rolle befestigt. Das letzte Seil wird über eine feste Rolle gelegt und dient als Zugseil. Jede zusätzlich lose Rolle halbiert die Kraft, die man aufwenden muss.

Bei 2 Rollen wie auf dieser Abbildung braucht man 1/4 der Kraft. Bei 3 Rollen 1/8 und bei 4 Rollen nur noch 1/16 der Kraft.

Die beiden festen Rollen des Differenzialflaschenzuges haben einen unterschiedlichen Durchmesser und sind fix miteinander verbunden. Sie bilden ein Wellrad. Es wird ein durchgehendes Seil, also ein Seil, dessen Enden miteinander verbunden sind, verwendet. Das Seil wird so über die Rollen geführt, wie du es in der Abbildung siehst. Je geringer der Unterschied der Durchmesser der beiden festen Rollen ist, desto weniger Kraft muss man aufwenden.

mp eV

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Der Potenzflaschenzug

Jede freie Rolle halbiert die erforderliche Kraft.

Die beiden festen Rollen bilden ein Wellrad.

Es wird ein durchgehendes Seil verwendet.

Es werden mehrere Seile verwendet.

PF S R O L

DF T E I N

LÖSUNGSWORT:

•

•

•

•

je größer der Steigungswinkel ist.

Ein Wellrad besteht aus zwei verschieden großen Rollen,

Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren.

Eine Schraube ist eine Schiefe Ebene,

bei dem auf beiden Seiten Kräfte wirken.

Ein Flaschenzug besteht aus mehreren Rollen,

die an einer gemeinsamen Welle befestigt sind.

Auf einer Schiefen Ebene ist die Normalkraft umso kleiner,

die aus zwei Schiefen Ebenen zusammengesetzt ist.

Die goldene Regel der Mechanik besagt:

die kreisförmig angeordnet ist.

Mit einem Seil oder einer Stange kann

die mit einem Seil verbunden sind.

Ein Hebel ist ein drehbar gelagerter Balken,

der Angriffspunkt der Kraft verändert werden.

Oly

Ein Keil ist eine einfache Maschine,

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4) So ein Durcheinander! – Diese Sätze sind durcheinandergekommen. Setze sie wieder richtig zusammen, indem du die Satzteile mit einem Lineal richtig verbindest! %%

PHYSIK-LABOR: Mechanik

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Ziel des Experiments: Überprüfe das Hebelgesetz!

ag

Experiment 1: Hebelwirkung Du brauchst: Holzstab, 30 cm lang, mit Markierungen im Abstand von jeweils 1 cm, Haken an den Enden (im Werkunterricht anfertigen) * Gewicht (z. B. 0,5 kg) * Stütze * Kraftmessgerät/Federwaage

mp eV

Experiment 2: Reibungskräfte

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Ablauf: ƒ Bringe an der Kante eines Tisches alles so wie auf der Abbildung an! ƒ Miss, wie viel Kraft du aufwenden musst, um das Gewicht hochzuheben! ƒ Verschiebe dann den Stab und notiere, wie viel Kraft du bei den einzelnen Markierungen benötigst! ƒ Rechne nach und überprüfe das Hebelgesetz!

Ziel des Experiments: Stelle fest, auf welchem Untergrund die Reibungskräfte am stärksten sind!

Du brauchst: Holzklotz mit Haken * Federwaage * verschiedene Untergründe (Glasplatte, Sandpapier, Papier, Tisch, runde Bunt- oder Filzstifte) Ablauf: ƒ Leg den Holzklotz der Reihe nach auf die Unterlagen und ziehe ihn mit der Federwaage! ƒ Leg den Holzklotz abwechselnd auf die breite und auf die flache Seite! ƒ Beobachte, ob die Reibung zu Beginn größer ist (Haftreibung) als danach (Gleitreibung)! ƒ Du kannst auch noch ein zusätzliches Gewicht auf den Holzklotz legen.

Protokoll: Notiere deine Messungen und finde heraus, auf welchem Untergrund die Reibung am stärksten und auf welchem sie am schwächsten ist!

Oly

Experiment 3: Die Schiefe Ebene

Ziel des Experiments: Untersuche, welchen Einfluss der Winkel auf die Kraft hat!

Du brauchst: Holzbrett * Wagen * Winkelmesser * Federwaage Ablauf: ƒ Stell den Wagen auf das Brett und halte ihn mit der Federwaage fest! ƒ Hebe das Brett auf einer Seite an und miss den Winkel zwischen Brett und Tischplatte!

Protokoll: Bei welchem Winkel wirkt welche Kraft?

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PHYSIK-LABOR: Mechanik

Experiment 4: Der Schwerpunkt

ag

Ziel des Experiments: Bestimme den Schwerpunkt eines unregelmäßig geformten Körpers!

Du brauchst: dicken Karton * Schnur * Splint * Gewicht (z. B. Radiergummi)

Splinte

mp eV

erl

Ablauf: ƒ Schneide eine beliebige unregelmäßige Figur aus dem Karton! ƒ Bohre zwei Löcher in den Rand der Figur! ƒ Binde das Gewicht an ein Ende der Schnur! ƒ Binde das andere Ende der Schnur so an den Splint, dass sie noch ein Stück übersteht! ƒ Halte nur das kurze Stück der Schnur fest! Warte, bis die Figur und das Gewicht nicht mehr schwingen! ƒ Markiere die Stelle, an der die Schnur unten den Rand berührt! ƒ Wiederhole den Vorgang mit dem anderen Loch! ƒ Verbinde jedes Loch mit einem Lineal mit der gegenüberliegenden Markierung! ƒ Der Schnittpunkt der beiden Linien zeigt den Schwerpunkt.

Experiment 5: Trägheit 1

Ziel des Experiments: Überwinde die Trägheit eines Holzklotzes!

Du brauchst: einen Wagen, an den man eine Schnur befestigen kann * Holzklotz Ablauf: ƒ Stelle den Holzklotz auf den Wagen! ƒ Zieh auf verschiedene Weise an der Schnur: - Zieh vorsichtig und langsam!

- Zieh rasch!

- Zieh zunächst langsam und werde dann schneller!

Beobachtet, was mit dem Holzklotz geschieht!

Sprecht in der Klasse darüber und findet eine Erklärung!

Experiment 6: Trägheit 2

Oly

Ziel des Experiments: Vergleicht die Trägheit unterschiedlicher Materialien!

Du brauchst: Bringt Kugeln aus unterschiedlichen Materialien in den Unterricht mit (z. B.: Gummiball, Tischtennisball, Kugel aus Knetmasse, Kaugummikugel, Stahlkugel, Holzkugel, Styroporkugel, Kugel aus Alufolie oder Papier)

Ablauf: ƒ Legt die Kugeln nebeneinander auf den Tisch! ƒ Versucht, die Kugeln durch Blasen in Bewegung zu setzen!

Protokoll: Stellt eine Reihenfolge auf! Welche Kugel kann am leichtesten bewegt werden, welche am schwersten? Vergleicht diese Reihenfolge mit den Massen der Kugeln!

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PHYSIK-NEWS: Mechanik

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Archimedes von Syrakus, der vor etwa 2 250 Jahren lebte, gilt als der genialste Mathematiker und Physiker seiner Zeit.

Er entdeckte das Hebelgesetz, erfand die Archimedische Schraube und entwarf zahlreiche Maschinen. Um seine Heimatstadt vor Angreifern zu schützen, soll er angeblich einen großen Spiegel eingesetzt haben. Damit bündelte er das Sonnenlicht und setzte so die angreifenden Schiffe in Brand.

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Archimedes – das Genie der Antike

Isaac Newton und seine Katze

mp eV

Isaac Newton hatte eine Katze. Immer dann, wenn er besonders angestrengt an einem Experiment arbeitete, wollte sein Haustier hinaus und kratzte an der Tür. Um ungestört arbeiten zu können, schnitt Newton einfach ein Loch in die Tür und hängte eine Klappe davor.

So hat Isaac Newton nicht nur die 3 Newtonschen Gesetze gefunden. Er ist auch der Erfinder der Katzenklappe.

Das schnellste Landfahrzeug

Im Oktober 1997 war das ThrustSSC als erstes Landfahrzeug schneller als der Schall. Mit 1 228 km/h hält es derzeit den Geschwindigkeitsweltrekord.

Die Maya und das Rad Die Maya waren ein Volk in Mittelamerika. Sie bauten riesige Tempel, Pyramiden und ganze Städte aus Stein. Sie kannten zwar das Rad, setzten es aber nicht zum Transport der Steine für ihre Bauwerke ein. Vielmehr verwendeten die Maya Räder nur als Spielzeug für ihre Kinder.

Oly

Die schnellsten Tiere

Der Wanderfalke hält den absoluten Rekord. Beim Jagen kann er im Sturzflug bis zu 340 km/h schnell sein.

Der Gepard erreicht bis zu 110 km/h.

Damit ist er das schnellste Landtier.

Im Wasser sind die Fächer- oder Segelfische am schnellsten. Beim Schwimmen erreichen sie bis zu 110 km/h.

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PHYSIK-NEWS: Mechanik Schwerkraftmonster: Schwarze Löcher

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Die Geschichte des Lastentransportes

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Im Weltall gibt es Himmelskörper mit extrem großer Masse. Manche von ihnen sind milliardenmal so schwer wie unsere Sonne. Ihre Schwerkraft ist so groß, dass alles, was in ihre Nähe kommt, aufgesaugt wird. Sogar Licht wird von ihnen verschluckt. Da sie selbst kein Licht aussenden, kann man sie nicht sehen. Man erkennt sie nur daran, dass sie vor dem Hintergrund der Sterne wie „Schwarze Löcher“ aussehen.

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In der Steinzeit mussten die Menschen schwere Lasten noch über den Boden schleifen. Selbst mit einem Schlitten war das Überwinden der Gleitreibung sehr mühsam.

Leichter ging es, wenn man die Lasten auf Rollen legte.

Die Ägypter transportierten so die Steine für ihre Pyramiden. Vor etwa 5 500 Jahren schnitten die ersten Menschen die Rollen in Scheiben und verbanden diese mit einer Achse – das Rad war erfunden. Aus diesen einfachen Holzscheiben entwickelte sich schließlich das Rad, wie wir es heute kennen.

Fast keine Reibung: Luftkissenfahrzeuge

Fahrzeuge, die durch ein Luftpolster getragen werden, können fast ohne Reibung bewegt werden. Mit Ventilatoren wird Luft unter das Fahrzeug geblasen. Durch die Luft wird das Fahrzeug hochgehoben. Es schwebt dann ein Stück über dem Boden. Die Reibungskräfte zwischen der Luft und dem Boden sind sehr gering, daher kann das Luftkissenfahrzeug fast ohne Widerstand dahingleiten.

Luftkissenfahrzeuge können sowohl über Wasser als auch über Land fahren.

Hast du das gewusst?

Oly

ƒ Die Oberleitungsdrähte von Eisenbahnstrecken verlaufen nicht gerade, sondern im Zick-Zack.

Würden sie nämlich gerade verlaufen, würde sich der Stromabnehmer der Lokomotive immer an derselben Stelle am Draht reiben. Durch die Reibung wäre er bald durchgeschnitten. ƒ Bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen stellte der iranische Sportler Hossein Rezazadeh einen Weltrekord im Gewichtheben auf. Er konnte eine Masse von 263,5 kg hochheben und über seinem Kopf halten. ƒ Die schnellste Schifahrerin der Welt ist Sanna Tidstrand aus Schweden. Im April 2006 erreichte sie bei einer Abfahrt eine Geschwindigkeit von 242 km/h.

Buchtipps

Jürgen Teichmann: Mit Einstein im Fahrstuhl: Physik genial erklärt (Arena, 2008).

Werner Rentzsch: Experiment mit Spaß, Bewegung und Kräfte (Aulis Verlag, 2011).

Richard Hammond, Uwe Müller, Martin Kliche: Wahnsinnskräfte: Die spannende Welt der Physik (Dorling Kindersley, 2007).

Susa Hämmerle, Dorothea Tust: Abenteuer Spielplatz: Entdecke die Kräfte der Bewegung (Betz, Wien, 2011).

Unsere Welt besteht aus Teilchen

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11. FEST, FLÜSSIG ODER GASFÖRMIG

ag

Splitter: kleines abgebrochenes Stück

auftauender Eiswürfel

Verdunsten Das Verdunsten ist ein Vorgang, den du täglich beobachten kannst. Auch beim Trocknen von Wäsche oder deiner Haare verdunstet das Wasser.

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Jan holt einen Eiswürfel aus dem Kühlschrank und gibt ihn in seine Limonade. Dabei bricht ein Splitter vom Eis ab und bleibt auf dem Küchentisch liegen. Als er etwas später wieder in die Küche kommt, ist vom Eis nichts mehr zu sehen. Anstatt des Eises sieht er einen Wassertropfen auf dem Tisch. Stunden später kommt Jan neuerlich in die Küche. Er sieht auf die Arbeitsfläche. Der Wassertropfen ist verschwunden.

Was ist geschehen?

Eis ist nichts anderes als festes Wasser. Wenn es kalt genug ist, wird aus dem flüssigen Wasser Eis. Wenn es wärmer wird, taut es wieder auf und wird zu Wasser. Der Wassertropfen auf dem Küchentisch ist natürlich nicht einfach verschwunden. Das Wasser hat sich in ein Gas verwandelt. Diesen Vorgang nennt man Verdunsten.

mp eV

Wasser kann in 3 verschiedenen Zuständen vorkommen: fest, flüssig und gasförmig.

Diese Zustände nennt man Aggregatzustände.

Aber wodurch unterscheiden sich diese Aggregatzustände?

Das Teilchenmodell

Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Diese sind so klein, dass man sie nicht mehr sehen kann.

In einem festen Körper wie in Eis sind die Teilchen in einem regelmäßigen Muster angeordnet.

Zwischen den Teilchen gibt es anziehende Kräfte.

Die einzelnen Teilchen, die wir uns als kleine Kugeln vorstellen können, werden dadurch an ihren Plätzen gehalten.

Stoffe, bei denen die einzelnen Teilchen regelmäßig angeordnet sind, nennt man Kristalle. Man spricht also auch von einem „Eiskristall“. Oft sieht man die regelmäßige Anordnung der Teilchen auch an der äußeren Form von Kristallen.

auftauen: flüssig werden

Was ist ein Modell?

Häufig fällt es uns leichter, uns schwierige Vorgänge in der Natur in vereinfachter Form vorzustellen. Dadurch wird es auch möglich, diese in Form von Zeichnungen einfach darzustellen. Diese Vorstellung nennt man ein „Modell“. So wie beim Teilchenmodell kann man mit der Vorstellung, dass alle Stoffe aus kleinen „Kügelchen“ bestehen, sehr Vieles erklären und Vorhersagen treffen, wie Experimente ausgehen werden.

Die Kohäsionskraft

Die Kraft, die zwischen gleichartigen Teilchen herrscht, nennt man Kohäsionskraft.

Sie bewirkt, dass ein Körper überhaupt fest ist.

Die Teilchenbewegung

Oly

Die Teilchen befinden sich in einem festen Körper zwar an ihren fixen Plätzen, allerdings können sie sich dort bewegen. Sie schwingen hin und her. Bei niederer Temperatur schwingen sie weniger stark als bei hoher. Trotzdem hält sie die Kohäsionskraft an ihren Plätzen. Wenn es aber sehr warm ist, bewegen sie sich so stark, dass die Kohäsionskraft die Teilchen nicht mehr zusammenhalten kann.

Das einzelne Teilchen verlässt dann seinen Platz und bewegt sich frei herum. Der Stoff ist dann nicht mehr fest, sondern flüssig. Diesen Vorgang nennt man Schmelzen.

Kristall Kohäsion: vom lateinischen Wort „cohaerere“ – zusammenhängen schmelzen: flüssig werden

Flüssigkeiten und Gase passen sich dem Gefäß an.

Sie füllen es gleichmäßig aus.

Unsere Welt besteht aus Teilchen

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Oberflächenspannung beim Waschen Seife und andere Waschmittel verringern die Oberflächenspannung von Wasser. Daher kann das Wasser auch in kleinste Ritzen und Spalten eindringen und den Schmutz besser entfernen.

In einer Flüssigkeit können sich die Teilchen frei bewegen. Aber nicht alle haben dieselbe Geschwindigkeit, manche sind langsamer und manche sind schneller. Sie stoßen dabei aneinander und gelangen auch an die Oberfläche. Die langsameren Teilchen werden von der Kohäsionskraft festgehalten. Aber manchen schnelleren Teilchen gelingt es, die Kohäsionskraft zu überwinden. Sie verlassen die Flüssigkeit und erreichen den gasförmigen Zustand. In diesem Zustand können sie sich völlig frei bewegen. Sie sind so schnell, dass sie von der Kohäsionskraft nicht mehr zusammengehalten werden können.

Diesen Vorgang nennt man Verdampfen.

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62

Die Oberflächenspannung

Wassertropfen

mp eV

Die Kohäsionskraft ist dafür verantwortlich, dass sich Wassertropfen bilden. Sie hält die Wasserteilchen zusammen und sorgt dafür, dass sich an der Oberfläche eine „Haut“ bildet. Diese ist so stark, dass kleinere Tiere wie der Wasserläufer sich darauf bewegen können.

Wasserläufer

Die Adhäsionskraft

Adhäsion: vom lateinischen Wort „adhaerere“ – anhaften

Versuch

So wie es eine anziehende Kraft zwischen gleichartigen Teilchen gibt, gibt es auch eine anziehende Kraft zwischen den Teilchen einer Flüssigkeit und einem festen Körper. Diese nennt man Adhäsionskraft. Sie bewirkt, dass ein Wassertropfen an einer Fensterscheibe haften bleibt und dass Lacke auf dem Untergrund hängen bleiben. Ganz besonders stark ist die Adhäsion zwischen einem Klebstoff und einem festen Körper.

Benetzende und nicht benetzende Flüssigkeiten

Führt die Experimente „Die Oberflächenspannung von Wasser“ und „Buntes Papier“ auf S. 131 durch!

Hast du schon einmal genau hingesehen, wie die Oberfläche von Wasser in einem Glas aussieht? Die Adhäsion zwischen dem Wasser und dem Glas ist größer als die Kohäsion im Wasser.

Dadurch wird das Wasser an der Wand ein wenig nach oben gezogen. Wasser ist am Glas eine benetzende Flüssigkeit.

Effekt: Wirkung, Ergebnis

Oly

Die Oberfläche von Quecksilber in einem Glas ist nach unten gekrümmt. Die Adhäsion zwischen Glas und Quecksilber ist viel kleiner als die Kohäsion im Quecksilber. Quecksilber ist nicht benetzend.

Es gibt 3 Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig.

Zwischen gleichen Teilchen wirkt die Kohäsionskraft.

Zwischen den Teilchen einer Flüssigkeit und einem festen Körper wirkt die Adhäsionskraft. Sie ist für die Haarröhrchenwirkung oder Kapillarität verantwortlich.

Die Haarröhrchenwirkung oder Kapillarität Ein wichtiges Beispiel für benetzende Flüssigkeiten ist die Kapillarität. In einem engen Röhrchen wird dadurch das Wasser nach oben gezogen, und zwar umso weiter, je enger das Röhrchen ist. Dieser Effekt bewirkt, dass ein Schwamm Wasser aufsaugt oder dass du dich mit einem Handtuch abtrocknen kannst.

Unsere Welt besteht aus Teilchen 63

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Die 3 Aggregatzustände – Schreibe die Begriffe im Kästchen an die richtigen Stellen der Tabelle! %% kaum vorhanden © frei beweglich © regelmäßig angeordnet © groß © untereinander beweglich © sehr groß

Anordnung der Teilchen

erl

Kohäsionskraft FEST

mp eV

FLÜSSIG

GASFÖRMIG

2) Kapillarität – Bei welchem dieser Bilder spielt die Kapillarität eine Rolle? Male zuerst die passenden Buchstaben an! Dann ordne diese! So erhältst du ein Lösungswort!%%%%

E

S

R

S

Oly

F

I

L

T

fi

LÖSUNGSWORT:

•

•

•

•

64 Unsere Welt besteht aus Teilchen

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

erl

ag

3) Adhäsion oder Kohäsion? – Welche Kraft wirkt hier? Schreibe ein „A“ für Adhäsion oder ein „K“ für Kohäsion zu den Bildern! %%

mp eV

4) Lesequiz – Bei welchem dieser Bilder spielt die Kapillarität eine Rolle? Lies diesen Text über den Schutz von Oberflächen vor Wasser aufmerksam durch, dann kannst du sicherlich die Fragen dazu beantworten! %%%

Oly

Wassertropfen, die an einem Kleidungsstück oder an Schuhen hängen bleiben, werden durch die Kapillarität ins Innere gesaugt. Das Kleidungsstück wird nass und braucht lange, um zu trocknen. Um das zu verhindern, können Stoffe und Leder imprägniert werden. Dabei wird ein Material auf die Oberfläche aufgetragen, das die Benetzung vermindert. Dadurch wird die Adhäsionskraft zwischen dem Wassertropfen und der Oberfläche verringert und das Wasser rinnt ab.

Regentropfen, die am Lack eines Autos haften bleiben, führen zu Schmutzflecken. Das Wasser verdunstet und der Staub und Schmutz im Wasser bleibt zurück. Eine dünne Wachsschicht auf dem Lack von Autos verhindert das. Die Regentropfen bleiben nicht hängen, sondern rinnen hinunter. Die Wachsschicht bewirkt, dass der Lack länger sauber bleibt.

Würden Regentropfen auf den Blättern von Pflanzen hängen bleiben, dann könnte das Blatt zu schwer werden und abbrechen. Daher haben auch Pflanzen Methoden entwickelt, um die Benetzung von Wasser zu verringern. Die Blattoberfläche der Lotusblume weist winzig kleine Erhöhungen auf, die mit Wachs überzogen sind. So kann das Wasser nicht haften bleiben.

Viele im Wasser lebende Tiere wie Biber oder Enten reiben ihr Fell oder ihre Federn mit Fett ein, das in der Bürzeldrüse gebildet wird. Auch so wird die Benetzung verringert und das Wasser kann nicht in das Fell oder Gefieder eindringen. Selbst wenn diese Tiere im Wasser schwimmen, bleibt so die Haut trocken.

a) Wie nennt man die Methode, mit der Kleidung vor Nässe geschützt wird? integrieren

imprägnieren

improvisieren

intonieren

Wachs

Benzin

b) Womit wird der Lack von Autos behandelt?

Sand

Öl

c) Welche Pflanze ist besonders gut gegen Regen geschützt?

Gänseblümchen

Rose

Tulpe

d) Womit reiben im Wasser lebende Tiere ihr Fell oder ihr Gefieder ein?

Fett

Wachs

Öl

Schlamm

fi

Lotusblume

Unsere Welt besteht aus Teilchen

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12. WÄRME UND TEMPERATUR

ag

Emma telefoniert von Bregenz mit ihrer Freundin Anne in Johannesburg (Südafrika).

Sie erzählt Anne, dass es klirrend kalt ist. Viele Seen und Flüsse sind zugefroren und es hat eine Temperatur von -12 Grad. Anne lacht und sagt: „Ich gehe jetzt schwimmen. Bei uns ist herrliches Wetter. Es ist sehr warm und hat 30 Grad.“

Bregenz

Vorarlberg im Winter

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Worüber unterhalten sich Anne und Emma?

Was bedeutet es, dass es in Österreich -12 Grad hat und in Südafrika 30 Grad?

Was heißt „warm“ und „kalt“?

mp eV

Wie du schon im vorherigen Kapitel gehört hast, bewegen sich die Teilchen in einem Körper nicht immer gleich stark. Je stärker sie sich bewegen, desto wärmer ist dieser Körper. Im Winter scheint die Sonne weniger stark, daher gelangt weniger Wärme auf die Erdoberfläche und die Teilchen der Körper bewegen sich weniger. Dadurch friert das Wasser und wir empfinden es als kalt.

Die Temperatur

Emma und Anne sprechen aber auch von der Temperatur. Emma erzählt, dass es in Bregenz –12 Grad hat, und Anne berichtet von 30 Grad in Johannesburg.

Die Temperatur ist eine Eigenschaft eines Körpers. Sie gibt an, wie stark sich seine Teilchen bewegen. Die Stärke der Teilchenbewegung bestimmt also die Temperatur.

Ausdehnung von Körpern beim Erwärmen

Oly

Hitzeschäden auf der Autobahn

Wenn feste Körper wärmer werden, dehnen sie sich aus. Das ist auf die Bewegung ihrer Teilchen zurückzuführen. Je stärker sich die Teilchen bewegen, desto mehr Platz brauchen sie. Daher nimmt das Volumen eines Körpers mit der Temperatur zu. Bei Abkühlung zieht er sich wieder zusammen. Das führt dazu, dass bei großer Hitze Straßen beschädigt werden können. Aber auch bei großer Kälte kann es zu Schäden kommen. Der Straßenbelag zieht sich dann zusammen und es entstehen Risse.

Hitze verursacht Schäden!

Die anhaltende Hitze führte auf der A1 (Westautobahn) zu schweren Schäden. Der Straßenbelag dehnte sich so stark aus, dass er sich hob und auseinanderbrach. Die A1 bleibt bis zur Reparatur gesperrt.

Johannesburg

Überlege: Warum hat es in Johannesburg 30 Grad, wenn es bei uns Winter ist?

Wärmeausdehnung Um bei Wärme oder Kälte Schäden an Brücken zu vermeiden, werden Dehnungsfugen eingebaut.

Zusätzlich lagert man Brücken auf großen Rollen.

So können sie sich ein wenig bewegen und die Längenänderung ausgleichen.

Bei langen Rohrleitungen werden in gewissen Abständen auch Schleifen angebracht.

tiefe Temperaturen Dehnungsfuge und Rollen bei einer Brücke hohe Temperaturen

Versuch Je stärker sich Teilchen bewegen, desto mehr Platz brauchen sie.

Führt das Experiment „Die Trickflasche“ auf S. 131 durch!

Unsere Welt besteht aus Teilchen

Messing: Mischung der beiden Metalle Zink und Kupfer Thermometer: Messgerät für die Temperatur

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Ausdehnung von Stoffen (bei Erwärmung um 1 °C bei einer Länge von 1 m) Eisen 0,012 mm Messing 0,018 mm Kupfer 0,015 mm Aluminium 0,024 mm Silber 0,020 mm Glas 0,009 mm Quarzglas 0,0005 mm

Beton dehnt sich bei einer Erwärmung von 1 °C bei einer Länge von 1 m um 0,012 mm aus. Wenn also die Temperatur von 0 °C auf 30 °C steigt, dehnt sich ein 10 m langes Stück einer Straße aus Beton um ca. 3,5 mm aus. Aber nicht alle Stoffe dehnen sich gleich stark aus.

Bei Straßen und Brücken ist die Wärmeausdehnung unerwünscht. In vielen Bereichen der Technik wird sie aber praktisch eingesetzt.

Der Bimetallstreifen

Der Begriff „Bimetall“ setzt sich zusammen aus „bi“ und „metall“. „Bi“ bedeutet immer „zwei“.

Ein Bimetallstreifen besteht also aus zwei verschiedenen Metallen, die der Länge nach miteinander verbunden sind. Diese beiden Metalle dehnen sich bei einer Temperaturänderung verschieden stark aus. Das Metall, das sich stärker ausdehnt, wird länger als das andere.

Spirale:

mp eV

Wenn eine Straße um eine Kurve führt, ist der äußere Rand der Straße länger als der innere.

Genauso ist es auch beim Bimetallstreifen. Der Streifen biegt sich, sodass der längere Metallstreifen außen liegt.

Wo werden Bimetallstreifen noch verwendet?

Da Metalle elektrische Leiter sind, kann man Bimetallstreifen als temperaturabhängige Schalter verwenden. Bei einem Bügeleisen unterbricht so ein Streifen den Stromkreis, wenn die Temperatur zu hoch wird.

Bimetallstreifen

empor: nach oben

Heute wird die Temperatur so wie bei diesem digitalen Fieberthermometer meist elektronisch gemessen.

normale Temperatur

hohe Temperatur

Zwei Metalle, aus denen man Bimetallstreifen herstellen kann, sind Eisen und Messing. Der Streifen biegt sich bei einer Änderung der Temperatur. Daher kann man ihn auch verwenden, um die Temperatur zu messen. In einem Bimetallthermometer wird ein langer Bimetallstreifen verwendet, der zu einer Spirale aufgerollt ist.

Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

So wie bei festen Körpern ist auch bei Flüssigkeiten der Abstand zwischen den Teilchen von der Temperatur abhängig. Je wärmer es wird, desto schneller bewegen sich die Teilchen und desto mehr Platz brauchen sie. Flüssigkeiten ändern beim Erwärmen nicht ihre Form, sondern ihr Volumen.

Daher kann man auch Flüssigkeiten verwenden, um die Temperatur zu messen. Bei einem Flüssigkeitsthermometer befindet sich eine Flüssigkeit in einem kleinen Gefäß. Dieses ist mit einem dünnen Röhrchen verbunden. Erhöht sich die Temperatur, dann dehnt sich die Flüssigkeit aus und steigt im Röhrchen empor. Die Höhe der Flüssigkeit im Röhrchen zeigt die Temperatur an. Sie kann an einer Skala abgelesen werde.

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Wo findet man sonst noch temperaturabhängige Schalter? Forsche im Internet!

tiefe Temperatur

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Üblicherweise verwendet man als Messflüssigkeit Alkohol. Da dieser aber durchsichtig ist, wird er meist mit einem Farbstoff vermischt. Früher wurde in Thermometern auch Quecksilber verwendet. Da Quecksilber aber giftig ist, kommt es kaum noch zum Einsatz.

Unsere Welt besteht aus Teilchen

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Die Einteilung der Temperatur Astronom/Astronomin: Wissenschaftler oder Wissenschaftlerin, der/die sich mit Himmelskörpern beschäftigt

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Im Jahr 1742 machte sich der schwedische Astronom Anders Celsius darüber Gedanken, wie man die Temperatur angeben könnte. Er wählte zuerst die Schmelztemperatur von Wasser als Ausgangspunkt. Dann nahm er die Temperatur von kochendem Wasser und teilte den Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Temperaturen in 100 Teile. So hat Celsius die nach ihm benannte „Celsius-Skala“ geschaffen. 0 °C ist die Temperatur von schmelzendem Wasser und 100 °C die von kochendem Wasser.

mp eV

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Fast überall auf unserer Welt wird heute die Celsius-Skala verwendet. Nur in den USA misst man die Temperatur nach der Fahrenheit-Skala. Diese Skala wurde 1714 vom deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit entwickelt. Er wollte „MinusTemperaturen“ vermeiden und legte den Nullpunkt seiner Skala bei der tiefsten Temperatur fest, die er in seiner Heimatstadt Danzig jemals gemessen hatte. Den Temperaturunterschied zwischen schmelzendem und kochendem Wasser teilte er in 180 Teile. So entstand die Fahrenheit-Skala. Nach dieser Skala wird die Temperatur in °F (Grad Fahrenheit) angegeben.

Danzig: Stadt, die früher in Deutschland lag, gehört heute zu Polen

Thermometer, das °C und °F anzeigt

Umrechnung °F in °C

Ausgangspunkt bei °F

Überlege: Warum wählte Celsius die Temperatur von schmelzendem und von kochendem Wasser?

Warum wählte Fahrenheit gerade diesen Wert?

Versuche, das Verhalten von Stoffen bei unterschiedlichen Temperaturen mit dem Teilchenmodell zu erklären!

0 °F -17,8 °C

Ausgangspunkt bei °C

32 °F

0 °C

Körpertemperatur

96 °F

35,5 °C

Kochendes Wasser

212 °F

100 °C

Lord Kelvin

Seit 1954 ist die offizielle Einheit der Temperatur das Kelvin und wird mit „K“ abgekürzt. Diese Temperaturskala geht vom absoluten Nullpunkt aus. Das ist die Temperatur, bei der sich die Teilchen eines Körpers überhaupt nicht mehr bewegen.

Diese liegt bei –273,15 °C. Die Kelvin-Skala benutzt dieselben Temperaturunterschiede wie die Celsius-Skala. Das heißt, 0 °C ist etwa 273 K und 100 °C liegt bei 373 K. Benannt wurde diese Skala nach dem englischen Physiker Lord Kelvin.

Temperaturgrade Sowohl bei der Celsius- als auch bei der FahrenheitSkala spricht man von „Grad“. Bei der Kelvin-Skala darf man jedoch „Grad“ nicht verwenden.

Schmelzendes Wasser hat eine Temperatur von „Null Grad Celsius“ aber von „273 Kelvin“.

Verhalten von Stoffen bei verschiedenen Temperaturen

Oly

Für jeden Stoff gibt es zwei wichtige Temperaturen:

ƒ Schmelztemperatur = Temperatur, bei der ein fester Körper schmilzt, also flüssig wird. ƒ Siedetemperatur = Temperatur, bei der ein flüssiger Körper gasförmig wird.

Beim Erhitzen nimmt die Bewegung der Teilchen immer mehr zu und die Dichte daher ab. Ein Stoff im festen Zustand hat daher eine größere Dichte als derselbe Stoff im flüssigen Zustand. Im gasförmigen Zustand ist die Dichte noch geringer.

flüssiges Eisen

Schmelz- und Siedetemperatur verschiedener Stoffe (in °C) SiedeSchmelztemperatur temperatur

Wasser Eisen Wolfram Aluminium Quecksilber Gold Blei Alkohol Sauerstoff

0 1 538 3 422 660 -39 1 064 327 -114 -218

100 2 861 5 555 2 467 357 2 856 1 749 78 -183

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Unsere Welt besteht aus Teilchen Die Anomalie des Wassers

ag

Jan, der seine Limonade mit Eiswürfeln kühlt, stellt fest, dass die Eiswürfel oben schwimmen. Obwohl Eis die feste Form von Wasser ist, hat es eine geringere Dichte.

Sicherlich hast du im Winter schon Eisschollen auf Flüssen oder Seen gesehen. Das Eis schwimmt an der Oberfläche. In der Nähe des Nord- und Südpoles, wo es das ganze Jahr über frostige Temperaturen gibt, brechen riesige Eisstücke von den Gletschern ab und stürzen ins Meer. Dort schwimmen sie als Eisberge, bis sie geschmolzen sind.

Scholle: flaches Eisstück frostig: so kalt, dass Wasser gefriert

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Gletscher: dicke Eisschicht, die auch im Sommer nicht schmilzt

Eisberg

Zusammenstoß der Titanic mit einem Eisberg

Passagier: Fahrgast

Wie beim Eiswürfel im Glas befindet sich aber auch beim Eisberg der größte Teil unter der Wasseroberfläche. Nur etwa ein Zehntel des Eisbergs ist zu sehen. Unter der Wasseroberfläche kann er viel breiter sein als oberhalb. Das kann für vorbeifahrende Schiffe gefährlich werden. Im Jahr 1912 stieß die Titanic, das damals größte Passagierschiff der Welt, das man für unsinkbar hielt, mit einem Eisberg zusammen und sank. Beim Untergang der Titanic starben etwa 1 500 Menschen.

Bei welcher Temperatur hat Wasser seine größte Dichte?

Anomalie: „nicht normal“, anders als die anderen

gefrieren: Eine Flüssigkeit wird beim Abkühlen fest.

Temperaturschichten in einem See

Eisschollen 0 °C

Wasser hat bei 4 °C die größte Dichte. Sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser hat eine geringere Dichte. Gewässer gefrieren daher 4 °C immer von oben zu. Im Winter kühlt das Wasser an der Oberfläche ab und wird dort zu Eis. Am Grund des Gewässers bleibt das Wasser bei 4 °C flüssig. Daher können bei uns Fische auch im Winter im tiefen Wasser überleben.

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Die Bewegung der Teilchen eines Körpers bestimmt die Temperatur. Diese wird mit einem Thermometer gemessen. Die Temperatur kann man nach der Celsius-, der Fahrenheit- oder der Kelvin-Skala einteilen.

Körper dehnen sich beim Erwärmen aus. Wasser hat die größte Dichte bei 4 °C. Daher schwimmt Eis an der Oberfläche.

Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, daher schwimmt es. Aber auch knapp oberhalb des Schmelzpunktes verhält sich Wasser anders als andere Stoffe. Daher spricht man von der „Anomalie“ des Wassers.

Wasser hat Sprengkraft Wenn du eine Wasserflasche in die Tiefkühltruhe legst, dehnt sich das Wasser beim Gefrieren aus und sprengt die Flasche. In der freien Natur rinnt Wasser in die Spalten der Felsen. Beim Gefrieren sprengt es so Teile des Berges ab. Auf Straßen kann gefrierendes Wasser zu Frostschäden führen.

Frostschaden auf einer Straße

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Unsere Welt besteht aus Teilchen 69

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Wie hoch ist die Temperatur? – Lies diese Erzählungen der Kinder über die Temperatur in ihren Ländern aufmerksam durch! Dann berechne, wie hoch die Temperatur ist! Trag zum Schluss auch die Temperaturen in die Thermometer ein! %%%

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Meine Eltern haben gesagt, ich darf erst dann ohne Pullover draußen spielen, wenn es mindestens 20 °C hat. Jetzt ist es noch um 3 °C zu kalt.

Wie warm ist es? _________ °C

Heute ist ein angenehm kühler Tag. In der Früh hatte es 7 °C und tagsüber ist die Temperatur nur um 32 °C gestiegen.

Wie warm ist es?

_________ °C

mp eV

Der heutige Sommertag war richtig warm. Schon am Morgen hatte es -17 °C. Zu Mittag stieg dann die Temperatur um 22 °C. Jetzt hat es wieder um 15 °C abgekühlt.

Wie warm ist es?

_________ °C

Heute Morgen, als ich in die Schule ging, hatte es noch 18 °C. Am Nachmittag war es um 9 °C wärmer. Aber als ich aus der Schule kam, brach ein Gewitter los und die Temperatur sank plötzlich um 12 °C.

Wie warm ist es?

_________ °C

2) Thermometervielfalt – Welches Thermometer wird wofür verwendet? Ziehe mit dem Lineal Pfeile zum richtigen Thermometer! %% Mit diesem Thermometer misst du deine Körpertemperatur.

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Oly

Dieses Thermometer zeigt an, ob das Fleisch im Backrohr schon gut durchgebraten ist.

Badethermometer

Zimmerthermometer

Dieses Thermometer sagt dir, wie warm es in deiner Wohnung ist.

Außenthermometer

Mit diesem Thermometer misst du die Temperatur des Wassers in der Badewanne.

Fieberthermometer

Dieses Thermometer sagt dir, ob du ohne Jacke in die Schule gehen kannst.

Motorthermometer

Mit diesem Thermometer kann festgestellt werden, ob das Auto richtig funktioniert.

Bratenthermometer

70 Unsere Welt besteht aus Teilchen

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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ag

3) Bimetallstreifen – In welche Richtung biegen sich diese Bimetallstreifen? Zeichne die Richtung mit einem Pfeil ein! %%%% Tipp: Verwende die Liste über die Ausdehnung von Stoffen auf Seite 66!

Silber

Eisen

Aluminium

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Messing

Eisen

Aluminium Messing

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Kupfer

4) Temperaturen – Ordne die Temperaturen richtig zu, indem du die Buchstaben in die Kästchen einträgst!

Wenn du alles richtig gemacht hast, erhältst du von oben nach unten gelesen ein Lösungswort! %%%

14 800 000 °C: Inneres der Sonne 7 000 °C: Inneres der Erde

L

2 500 °C: Glühwendel einer Glühbirne

I

1 200 °C: flüssiges Gestein bei einem Vulkanausbruch 800 °C: Flamme eines Zündholzes 400 °C: Pizzaofen

230 °C: Bügeleisen

Oly

C

E

S

S

fi

U

Unsere Welt besteht aus Teilchen

71

13. WÄRME IST ENERGIE

ag

Ein warmer Körper unterscheidet sich von einem kalten Körper durch die stärkere Bewegung der Teilchen, aus denen er besteht.

Aber wie versetzt man die Teilchen eines Körpers in Bewegung?

potenzielle Energie h

mp eV

Beim Loslassen beginnt der Gegenstand zu schwingen. Das entspricht einem Teilchen mit einer bestimmten Temperatur. Die potenzielle Energie wurde in Schwingungsenergie umgewandelt. Um den Gegenstand in Schwingung zu versetzen, musst du also Energie zuführen. Genauso ist es bei den Teilchen. Wenn du Energie zuführst, schwingen sie stärker und die Temperatur erhöht sich.

Du darfst Temperatur und Wärme nicht verwechseln!

Temperatur = gibt den Zustand eines Körpers an und wird in °C gemessen Wärme = die Energie, die in einem Körper steckt. Sie wird in J gemessen.

erl

Stell dir einen Gegenstand vor, der an einer Schnur hängt. Das entspricht einem Teilchen, das sich gar nicht bewegt und eine Temperatur von 0 K hat. Wenn du dann den Gegenstand aus seiner Ruhelage auslenkst, hebst du ihn dabei ein Stück an.

Du leistest Arbeit und führst dem Gegenstand Energie zu. Er hat potenzielle Energie gewonnen.

ACHTUNG

h2

h1

Je mehr Energie du deinem schwingenden Körper in Form von potenzieller Energie zuführst, desto stärker schwingt er. Auch die Teilchen eines Körpers schwingen umso stärker, je mehr Energie du zuführst. Seine Temperatur ist also von der Menge der zugeführten Energie abhängig.

Die Wärmemenge

Oly

Erwärmt man Wasser in einem Kochtopf, so wird ihm Energie in Form von Wärme zugeführt. Die Menge von Energie, die ihm so zugeführt wird, nennt man Wärmemenge.

Je größer die Wärmemenge ist, die das Wasser aufnimmt, desto wärmer wird es, bis es schließlich kocht.

Die Wärmemenge, die einer bestimmten Menge Wasser zugeführt werden muss, um es um 1 °C zu erwärmen, ist immer gleich. Um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen, benötigt man einer Energie von 4,2 J. Diese Wärmemenge wird häufig auch als 1 Kalorie (cal) bezeichnet.

Um 1 g Eisen um 1 °C zu erwärmen, wird nur eine Energie von 0,45 J benötigt. Jeder Stoff kann beim Erwärmen eine andere Wärmemenge aufnehmen und speichern.

Daher können manche Stoffe leichter erwärmt werden als andere.

Was ist ein kJ? 1 J (Joule) ist eine sehr kleine Einheit. Daher wird die Wärmemenge meist als kJ (Kilojoule = 1 000 Joule) angegeben. Auf Lebensmittelverpackungen findest du meist die Angabe kJ. Damit wird angegeben, wie energiereich diese Lebensmittel sind. Häufig findet man bei Lebensmitteln auch die Angabe in „kcal“ (Kilokalorie).

1 kcal = 4,2 kJ

Wärmemenge (in J), die notwendig ist, um 1 g eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen Wasser Alkohol Petroleum Quecksilber Eisen Kupfer Luft

4,2 2,4 2,1 0,14 0,45 0,38 1,0

Wärme und Wasser Wasser kann sehr viel Wärme aufnehmen. Das ist sehr wichtig für das Klima auf der Erde. Im Sommer speichern die Meere viel Energie, die sie im Winter wieder abgeben. So gleichen sie Temperaturunterschiede aus.

72

Unsere Welt besteht aus Teilchen Kann Wärme erzeugt werden?

Meteorit: Himmelskörper aus Stein oder Metall

Wärme durch Reibung

Um einen Gegenstand über eine raue Oberfläche zu ziehen, musst du Energie aufwenden, um die Reibung zu überwinden. Sowohl der Gegenstand als auch die Oberfläche werden durch diese Energie erwärmt. Du kannst diese Wärme direkt spüren, indem du die Handflächen aneinander reibst. Man kann die Reibungswärme sogar dazu verwenden, ein Feuer zu entfachen.

erl

Das Zündholz wird durch Reibungswärme entzündet.

ag

Wärme ist eine Form der Energie. Diese kann nicht „erzeugt“ werden, sondern entsteht nur durch Umwandlung von einer Form von Energie in eine andere.

Wärme durch Bewegung

Ein Körper, der sich sehr schnell bewegt, hat eine hohe kinetische Energie. Diese Energie hängt von der Masse und von der Geschwindigkeit ab. Sie wird beim Aufprall ebenfalls in Wärmeenergie umgewandelt. Bei einem vom Tisch fallenden Buch ist diese Energie nur sehr gering. Wenn allerdings ein Meteorit auf der Erdoberfläche einschlägt, ist diese Energie so groß, dass die entstehende Wärme das Gestein schmilzt.

mp eV

Vorsicht beim Bremsen!

Ein Auto wird durch Reibung abgebremst.

Dadurch werden die Bremsbeläge warm. Wird zu lange gebremst, z. B. bei langen Fahrten einen Berg hinunter, können die Bremsen verbrennen. Dann funktionieren die Bremsen überhaupt nicht mehr.

Sprecht in der Klasse darüber, womit ihr zu Hause heizt!

Welche Brennstoffe sind schädlich für die Umwelt?

Warum sind sie das?

Um einen Gegenstand zu verformen, ist Energie erforderlich. Diese Energie wird in Wärme umgewandelt.

Ein zu wenig aufgepumpter Autoreifen kann während einer langen Autofahrt so heiß werden, dass er platzt.

Wärme durch Verbrennung

Beim Verbrennen von Papier, Holz oder Kohle wird Energie frei. Beim Verbrennen kommt es zu einer Umwandlung des Ausgangsmaterials. Aus Holz wird so Asche und Rauch. Die Energie wird in Form von Wärme frei.

Oly

MJ/kg: Megajoule (1 Mio. Joule) pro kg

Wärme durch Verformung

Wärme ist die Energie, die in einem Körper steckt. Die Einheit der Wärmemenge ist die Kalorie (cal) oder das Joule (J). Jeder Stoff kann eine unterschiedliche Wärmemenge aufnehmen.

Wärme entsteht durch Umwandlung von Energie.

Der Heizwert von Brennstoffen

Heizwert in MJ/kg

Die Energie, die wir zum Heizen unserer Wohnungen und Häuser benötigen, erhalten wir zum Großteil aus dem Verbrennen von Holz, Kohle, Erdöl oder Gas.

Papier Holz Steinkohle Benzin Diesel, Heizöl Alkohol Erdgas

Der Heizwert gibt an, wie viel Energie aus 1 kg des Brennstoffes gewonnen werden kann. Er wird in MJ/kg angegeben.

15 15 30 11,4 11,8 20 ca. 40

9

Unsere Welt besteht aus Teilchen 73

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Oly

mp eV

erl

ag

1) Buchstabenlabyrinth – Beginne beim Pfeil und folge den Buchstaben so durch das Labyrinth, dass sich ein sinnvoller Satz ergibt! %%%

LÖSUNGSSATZ:

fi

74 Unsere Welt besteht aus Teilchen

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

2) Richtig oder falsch? – Welcher dieser Sätze ist richtig und welcher ist falsch? Ringle die richtigen Buchstaben ein, sie ergeben ein Lösungswort!%%

•

•

•

•

•

•

mp eV

•

erl

Die Wärmemenge wird in Pascal gemessen.

In einem warmen Körper bewegen sich die Teilchen schneller als in einem kalten Körper.

Alle festen Stoffe können beim Erwärmen dieselbe Wärmemenge aufnehmen.

Durch Reibung entsteht Wärme.

Der Heizwert gibt an, wie viel Wärmenergie aus 1 kg eines Brennstoffes gewonnen werden kann.

Durch Verformung kann keine Wärme erzeugt werden.

Führt man einem Gegenstand Wärme zu, steigt die Temperatur.

LÖSUNGSWORT:

richtig falsch A E N T B E R G G R E

D I V

3) Wärme oder Temperatur? – Entscheide, wovon die Rede ist und schreibe „W“ für Wärme oder „T“ für Temperatur in die Kästchen! %%

Am Gipfel eines Berges ist es meist kälter als unten im Tal.

Beim Anzünden einer Kerze muss zuerst das Wachs im Docht schmelzen.

Heute war der heißeste Tag des Jahres. Zu Miag hae es fast 36 °C.

Die Temperatur in einem Kühlschrank sollte etwa 4 °C betragen.

Bei meinen langen Haaren dauert es immer sehr lange, bis sie beim Föhnen trocken sind.

fi

Oly

Wenn es am Abend kalt wird, wärmen wir uns am Lagerfeuer.

Unsere Welt besteht aus Teilchen

75

Sophie verbringt ihren Winterurlaub bei ihrer Freundin Klara in Tirol. Es hat die ganze Nacht über geschneit. Als die beiden Mädchen am Morgen durch den frischen Schnee stapfen, kann Sophie kaum mit Klara Schritt halten. Während Sophie bei jedem Schritt tief einsinkt, kann Klara mit ihren Schneeschuhen viel schneller gehen, da sie damit kaum im Schnee versinkt.

ag

14. DER DRUCK Schritt halten: gleich schnell gehen

erl

Obwohl beide Mädchen etwa gleich schwer sind, sinkt Klara weniger tief ein als Sophie. Klaras Schneeschuhe haben eine größere Fläche als die Winterschuhe von Sophie. Das Gewicht Klara mit Schneeverteilt sich daher auf eine größere Fläche. schuhen

mp eV

Die Fläche des Schneeschuhs ist etwa 10-mal so groß wie die einer Schuhsohle. Wenn man einen einzelnen cm² der Schneeoberfläche betrachtet, dann ist die Gewichtskraft, die darauf wirkt, bei Sophie etwa 10-mal so groß.

Die Gewichtskraft der beiden Mädchen „drückt“ auf die Schneeoberfläche. Je stärker die Gewichtskraft pro cm² ist, desto stärker wird auf diese Fläche gedrückt. Wir sprechen daher von „Druck“. p=

F

Dieses Auto ist im Matsch stecken geblieben.

Wie hätte der Fahrer dieses Autos verhindern können, dass er im Matsch einsinkt?

Wer war Pascal?

Blaise Pascal war ein französischer Wissenschaftler, der vor etwa 350 Jahren gelebt hat.

Er untersuchte unter anderem den Luftdruck.

Die Einheit für den Druck ist nach ihm benannt.

(Druck ist Kraft pro Fläche)

A

Der Druck wird mit „p“ (Englisch für „pressure“) abgekürzt. „A“ steht für „area“ und bedeutet „Fläche“. Die Kraft wird in Newton gemessen. Die Einheit des Drucks ist 1 Newton pro m² und wird Pascal (Pa) genannt.

Oly

Da das Pascal eine sehr kleine Einheit ist, wird der Druck meist in hPa (Hekto-Pascal) angegeben. Ein hPa ist 100 Pa. Oft findet man auch die Einheit „Bar“. Ein Bar ist 100 000 Pascal (1 bar = 100 000 Pa).

Damenschuhe oder Panzer – Wer übt mehr Druck aus?

Der Druck, den die Absätze von Damenschuhen auf den Boden ausüben, ist etwa 100-mal so groß, wie der Druck eines Panzers.

Er beträgt etwa 500 N/cm².

Der Panzer mit 60 t ist zwar viel schwerer als ein Mensch, aber die Fläche des Absatzes ist nur etwa 1 cm² groß.

F=1N

0,1 kg 1m 1 m2 1m

p = 1 Pa

hekto: kommt aus dem Griechischen; „hekaton“ bedeutet „hundert“

Der Druck ist die Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Er wird in N/m² angegeben, seine Einheit ist das Pascal.

Größere Drücke gibt man in Bar an.

76

Unsere Welt besteht aus Teilchen

15. DER DRUCK IN FLÜSSIGKEITEN

ag

Mirko verbringt den Urlaub mit seinen Freunden am Meer. Er hat seine Taucherbrille mitgenommen. Zunächst taucht er in der Nähe des Ufers und betrachtet die Unterwasserwelt.

Seine Freunde schwimmen in der Zwischenzeit mit der Luftmatratze vom Ufer weg. Plötzlich fällt seinem Freund Martin die Sonnenbrille ins Wasser und versinkt. „Kein Problem!“, ruft ihnen Mirko zu „ich hol sie wieder herauf.“

erl

Das Leben im Wasser Tiere, die in großer Wassertiefe leben, sind an den hohen Druck angepasst. Wenn ein Taucher tief hinuntertaucht, passt sich sein Körper auch langsam an den Druck an.

Er darf daher nicht zu rasch unter- oder auftauchen.

Denn dann kann sich sein Körper nicht auf den veränderten Druck einstellen und die Taucherkrankheit tritt auf.

An dieser Stelle ist das Meer mehrere Meter tief. Zunächst taucht Mirko ein Stück hinunter und sucht nach der Brille. Dabei bemerkt er einen Schmerz in seinen Ohren. Als er dann versucht, bis zum Boden zu tauchen, wird der Schmerz umso schlimmer, je tiefer Mirko taucht.

Woher kommt der Schmerz, den Mirko spürt?

mp eV

Der Wasserdruck

So wie das Gewicht eines festen Körpers eine Kraft auf die darunter liegende Fläche ausübt, so übt auch das Gewicht des Wassers eine Kraft aus.

Der Druck in einer Wassertiefe von 10 m beträgt 1 bar!

1m

1m

Wenn du schon einmal tauchen warst, erzähle deinen Mitschülern davon!

Warum spürt Mirko den Druck auch dann, wenn das Wasser nicht von oben, sondern von der Seite darauf drückt?

F

Wasser spritzt nach allen Seiten gleichmäßig heraus.

p = 2 000 Pa

Je tiefer Mirko hinuntertaucht, desto größer wird der Druck. Mirko spürt diesen Druck als Schmerz in seinen Ohren.

Das Wasser drückt auf sein Trommelfell und das verursacht den Schmerz. Der Schmerz bleibt, egal wie Mirko seinen Kopf dreht.

Oly

F

1 l Wasser wiegt 1 kg. Wenn das Wasser 10 cm tief ist, dann befinden sich über einer Fläche 10 cm von 1 m² genau 100 l Wasser. Auf diese Fläche wirkt daher eine Kraft von 1 000 N. Der Druck p = 1 000 Pa auf diese Fläche ist daher 1 000 Pa. Bei einer Wassertiefe von 20 cm ist das Gewicht des Wassers auf dieselbe Fläche doppelt so groß.

20 cm Der Druck in 20 cm Wassertiefe ist daher doppelt so hoch, also 2 000 Pa.

Die Teilchen einer Flüssigkeit bewegen sich in alle Richtungen. Sie liegen eng beieinander. Eine Kraft, die von oben auf sie wirkt, kann sie nicht weiter zusammendrücken.

Durch die hohe Beweglichkeit der Teilchen werden sie auch nach der Seite gedrückt.

Daher herrscht auch an Stellen derselbe Druck, wo die Kraft nicht direkt von oben wirkt.

Unsere Welt besteht aus Teilchen

77

Der hydrostatische Druck in Flüssigkeiten A

B

C

hydrostatisch: setzt sich aus den beiden Wörtern „hydro“ (Griechisch „hydor“ = Wasser) und statisch (Griechisch „statikos“ = zum Stillstand bringend) zusammen.

ag

Der Druck im Wasser hängt von der Wassertiefe ab (Gefäß A). Im Wasser breitet sich der Druck nach allen Seiten gleichmäßig aus. Daher ist er in Gefäß B genauso groß wie in Gefäß A. Auch wenn die Form des Gefäßes anders ist und das gesamte Gewicht des Wassers geringer ist, bleibt der Druck gleich. Daher ist der Druck am Boden von Gefäß C genauso groß, auch wenn wesentlich mehr Wasser im Gefäß ist.

Paradoxon: scheinbar unerklärliche Beobachtung

erl

Der Druck in einer bestimmten Tiefe ist nur von der Tiefe selbst abhängig, nicht von der Form des Gefäßes. Das nennt man das hydrostatische Paradoxon.

Verbundene Gefäße

mp eV

Überall am Boden eines Gefäßes herrscht derselbe Druck.

Dabei ist es völlig egal, wie das Gefäß geformt ist. Das gilt auch dann, wenn das Gefäß eine „U“-Form hat. Da der Druck am Boden gleich ist, steht auch das Wasser überall gleich hoch.

Hydrostatik Die Hydrostatik beschäftigt sich mit den Vorgängen in Flüssigkeiten, die sich nicht bewegen.

kommunizieren: etwas miteinander austauschen

Wenn mehrere Gefäße so miteinander verbunden sind, dass das Wasser zwischen ihnen frei fließen kann, steht das Wasser überall gleich hoch. Solche Gefäße nennt man verbundene oder kommunizierende Gefäße.

Wie wird der Druck gemessen?

Bei kommunizierenden Gefäßen bewirkt der gleichmäßige Druck, dass das Wasser überall gleich hoch steht. Andererseits gilt: Wenn der Druck nicht überall gleich ist, dann ist auch die Wasserhöhe nicht überall die gleiche.

Das kann man ausnutzen, um den Druck zu messen: Ein U-förmiges Rohr ist mit Wasser gefüllt. Wird auf einer Seite der Druck erhöht, dann wird das Wasser auf der anderen Seite ein Stück nach oben gedrückt. An einer Skala kann man ablesen, wie weit das Wasser steigt. 1 cm entspricht dabei einem Druck von 1 mbar (Millibar) oder 1 hPa.

Oly

Wasser hat eine Dichte von 1 kg/l. Daher drückt 1 mbar das Wasser um 1 cm nach oben.

Wenn man größere Drücke messen möchte, wird oft Quecksilber als Flüssigkeit verwendet. Derselbe Druck drückt Quecksilber wegen seiner höheren Dichte nur um 0,76 mm hoch. p1

p2

p1

p2

In der Technik kommen oft Drücke von 100 bar und mehr vor. Diese können auf diese Weise nicht mehr gemessen werden. Hohe Drücke werden über die Kraft gemessen, die sie hervorrufen.

Bei einem Siphon wird das Prinzip der verbundenen Gefäße genutzt. Beim Abfluss eines Waschbeckens bleibt in einem gebogenen Rohr Wasser zurück. So wird verhindert, dass Gerüche aus dem Kanal kommen.

Fülle einen Plastikbeutel so mit Wasser, dass er etwa 1 cm hoch ist, wenn du ihn flach hinlegst! Dann verschließe ihn und leg ihn auf deinen Körper!

Das, was du spürst, entspricht etwa dem Druck von 1 mbar.

Bei der Druckuhr verformt der Druck eine Feder. An einer Skala wird der Druck abgelesen. p

78

Unsere Welt besteht aus Teilchen Hydraulik: Kraftübertragung in Flüssigkeiten

Kolben: beweglicher Teil einer Maschine, bewegt sich in einem Zylinder hin und her

Die hydraulische Presse besteht aus 3 miteinander verbundenen Gefäßen, zwischen denen Ventile angebracht sind.

Auf dem mittleren Gefäß sitzt ein Kolben, der einen geringen Durchmesser hat. Auf der einen Seite befindet sich ein Vorratsgefäß mit Öl, auf der anderen ein anderer Kolben mit einem großen Durchmesser.

Wie funktioniert nun so eine Presse?

Kolben

Ventil

Vorratsgefäß

ƒ Wenn der kleine Kolben nach unten gedrückt wird, wird das Öl zum großen Kolben gepresst. Dabei schließt sich das Ventil zum Vorratsgefäß. ƒ Wenn der kleine Kolben aber nach oben gezogen wird, schließt sich das Ventil zum großen Kolben, während jenes zum Vorratsgefäß sich öffnet. Nun fließt neues Öl zum kleinen Kolben.

mp eV

Zylinder: hier: rohrförmiger, hohler Teil einer Maschine

ag

Presse: Gerät, das einen hohen Druck erzeugt

Da Flüssigkeiten nicht zusammengedrückt werden können, kann man mit ihnen Kräfte übertragen. Die Hydraulik beschäftigt sich mit der Kraftübertragung durch Flüssigkeiten. Dabei ist die Flüssigkeit nicht in Ruhe, sondern sie bewegt sich. In ihr herrscht oft großer Druck. Ein Beispiel dafür ist die hydraulische Presse. In ihr werden durch ein spezielles Hydrauliköl Kolben bewegt.

erl

Hydraulische Pressen Mit ihnen wird der Saft aus Früchten gepresst. Auch Metallteile können damit in eine beliebige Form gepresst werden.

Ventil: Absperrvorrichtung Hydraulikleitung: fester Schlauch, in dem das Hydrauliköl fließt

Da der Durchmesser des einen Kolbens kleiner ist als der des anderen, muss man nur eine geringe Kraft aufwenden. Dafür bewegt sich der große Kolben aber nur weniger weit als der kleine. Es gilt auch hier die „Goldene Regel der Mechanik“: Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren.

Viele Maschinen wie dieser Bagger verwenden eine Hydraulik, um die Kraft des Motors in Bewegung umzusetzen. Der wichtigste Bauteil jeder Hydraulik ist der Hydraulikzylinder.

Hydraulische Pressen an einem Kranwagen sorgen dafür, dass er sicher steht und nicht umkippt.

Im Inneren dieses Zylinders bewegt sich ein Kolben. Das Hydrauliköl kann von beiden Seiten in den Zylinder gedrückt werden. Dadurch bewegt sich der Kolben hin und her. Mit einem Hebel lässt der Baggerfahrer abwechselnd Öl in eine Richtung fließen.

So kann er die Schaufel bewegen.

Oly

Der Druck in einer Flüssigkeit breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen aus. Der Druck ist nur von der Tiefe der Flüssigkeit abhängig, nicht von der Form des Gefäßes.

In kommunizierenden Gefäßen steht eine Flüssigkeit immer gleich hoch. Mit Flüssigkeiten kann eine große Kraft erzeugt und übertragen werden.

Hydraulikzylinder an einem Bagger

In der Technik wird sehr häufig Hydraulik eingesetzt. Beim Auto wird durch das Drücken des Bremspedals ein hoher Druck in einer Hydraulikleitung erzeugt.

Dieser Druck wirkt auf die Bremsen und bringt das Auto zum Stillstand.

Beim Wagenheber kannst du selbst feststellen, wie du mit wenig Kraft ein schweres Fahrzeug hochheben kannst.

Hydraulikzylinder

Unsere Welt besteht aus Teilchen 79

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Kommunizierende Gefäße – Welche Buchstaben stehen neben kommunizierenden Gefäßen? Male die Buchstaben an! Dann ordne sie so, dass du das Lösungswort erhälst! %%%

E

A Wasserfall

verbundene Gefäße

K

erl

R

Krug

Gießkanne

mp eV

D

C

U L

Siphon

LÖSUNGSWORT: •

Spritzflasche

•

•

•

•

Artesischer Brunnen

Schlauchwaage

fi

Oly

2) Löcher im Wassertank – Dieser Wassertank ist beschädigt und aus den Löchern (rote Pfeile) fließt Wasser.

Sieh dir zuerst das linke Bild an und zeichne dann ein, wie das Wasser aus den Löchern im Wassertank spritzt! %

80 Unsere Welt besteht aus Teilchen

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

erl

Das Wasserkraftwerk Kaprun in Salzburg ist ein Speicherkraftwerk. In Stauseen wird Wasser gespeichert. Wenn Strom benötigt wird, wird das Wasser aus den Stauseen abgelassen. Es fällt aus großer Höhe auf die Turbinen. So wird Strom erzeugt. Wird gerade kein Strom benötigt, dann werden mit dem überschüssigen Strom Pumpen betrieben. Diese pumpen das Wasser wieder nach oben. Dadurch steht das Wasser zur späteren Stromerzeugung wieder zur Verfügung.

Das Kraftwerk Kaprun besteht aus mehreren Stauseen. Der oberste See ist der Speicher Mooserboden. Er liegt auf einer Höhe von 2 004 m. Der Speicher Wasserfallboden liegt 365 m tiefer.

Dort befindet sich das Krafthaus Limberg, in dem Strom erzeugt wird. Noch tiefer, auf einer Höhe von 781 m, liegt ein weiterer Stausee, der Speicher Klammsee. Auch hier wurde eine Anlage zur Stromerzeugung errichtet, das Krafthaus Klammsee.

ag

3) Ein Fremdenführer erzählt – Seine Informationen über das Wasserkraftwerk Kaprun helfen dir die Fragen zu beantworten! %%%

mp eV

a) Auf welcher Höhe liegt das Krafthaus Limberg? _______ m b) Welchen Druck hat das Wasser im Krafthaus Limberg? _______ bar

c) Wie groß ist der Höhenunterschied zwischen Limberg und Klammsee?

_______ m

d) Welchen Druck hat das vom Limberg kommende Wasser in Klammsee?

_______ bar

4) Kreuzworträtsel mit Druck – Löse dieses Rätsel! %%%

3. beschäftigt sich mit Vorgängen in unbewegten Flüssigkeiten 4. beschäftigt sich mit der Kraftübertragung durch Flüssigkeiten 5. röhrenförmiger hohler Teil einer Maschine 7. ebener Bereich

senkrecht:

1. scheinbar unerklärliche Beobachtung 2. Einheit des Drucks 6. Kraft pro Fläche

fi

Oly

waagrecht:

Unsere Welt besteht aus Teilchen

81

16. AUFTRIEB IN FLÜSSIGKEITEN Wenn du das nächste Mal schwimmen gehst, beobachte, wie sich dein Körper unter Wasser verhält!

Warum bleibt Klara nicht unter Wasser?

Das Archimedische Prinzip

verdrängen: etwas oder jemanden wegschieben

mp eV

Betrachte diese beiden Bilder! Wenn du einen Gegenstand in eine Flüssigkeit tauchst, steigt die Oberfläche der Flüssigkeit an. Jeder Körper verdrängt so viel Flüssigkeit, wie es seinem Volumen entspricht. Man spricht also von „Verdrängung“. Gleichzeitig wird der Körper „leichter“. Auf einen Körper in einer Flüssigkeit wirkt eine Kraft, die gegen die Gewichtskraft gerichtet ist.

Diese nach oben wirkende Kraft nennt man Auftriebskraft oder Auftrieb. Sie ist so groß wie die Gewichtskraft, die auf die verdrängte Flüssigkeit wirken würde.

Die Wirkung des Auftriebs wurde vom griechischen Wissenschaftler Archimedes das erste Mal erkannt. Sie wird daher als „Archimedisches Prinzip“ bezeichnet:

Auf einen Körper in einer Flüssigkeit wirkt eine nach oben gerichtete Kraft, die so groß ist wie die Gewichtskraft, die auf die verdrängte Flüssigkeitsmenge wirkt.

Oly

Auch Klaras Körper hat ein bestimmtes Volumen. Unter Wasser wird genauso viel Wasser verdrängt, wie es diesem Volumen entspricht. Der menschliche Körper ist etwas leichter als das Wasser, das er verdrängt. Daher bleibt Klara nicht unter Wasser, sondern wird nach oben getrieben.

Klaras Freunde Peter und Tom balgen sich im Wasser. Tom versucht, Peter aus dem Wasser zu heben. Je weiter er seinen Freund aus dem Wasser hebt, desto mehr muss er sich anstrengen.

Tom spürt das Archimedische Prinzip. Solange Peters Körper tief im Wasser ist, ist er fast schwerelos. Je weiter er ihn über die Wasseroberfläche hebt, desto geringer wird der Auftrieb und desto mehr Kraft muss Tom aufwenden.

Aufgrund welcher kniffligen Aufgabe entdeckte Archimedes dieses Prinzip?

Tipp: Denke an die Krone!

erl

Klara taucht kurz unter. Sie bleibt jedoch nicht unter Wasser. Auch ohne Schwimmbewegungen wird sie nach dem Untertauchen ganz automatisch an die Oberfläche getrieben.

ag

Nach der Schule geht Klara mit ihren Freunden ins Schwimmbad. Zur Abkühlung springt sie gleich einmal mit einem Kopfsprung ins Wasser.

Warum darfst du die Badewanne nicht ganz voll anfüllen, bevor du dich hineinlegst?

Die Dichte des menschlichen Körpers Der Körper des Menschen besteht zu einem großen Teil aus Wasser. Daher hat er fast dieselbe Dichte wie Wasser. Unter Wasser kommt es dir daher fast so vor, als ob du überhaupt kein Gewicht hättest.

Was geschieht, wenn du aus einem Schwimmbecken kletterst? Wann musst du dich dabei am meisten anstrengen?

82

Unsere Welt besteht aus Teilchen Wie entsteht der Auftrieb?

Auftrieb

Auf einen Körper in einer Flüssigkeit wirken von allen Seiten Druckkräfte. Der Druck, der von oben wirkt, ist aufgrund der geringeren Tiefe kleiner als der von unten. Daraus ergibt sich eine resultierende Druckkraft, die nach oben wirkt.

Diese spüren wir als Auftrieb. Die seitlichen Druckkräfte sind von allen Seiten gleich groß und gleichen einander daher aus.

ag

ragen: hervorstehen, über etwas hinaus stehen

Erinnerst du dich noch an die Anomalie des Wassers? Eis hat eine geringere Dichte als das Wasser. Ein Eisberg treibt daher an der Wasseroberfläche. Ein Teil ragt aus dem Wasser.

Er taucht so tief in das Wasser ein, bis das Gewicht des verdrängten Wassers genauso groß wie sein eigenes Gewicht ist. Dann ist der Auftrieb des Eises unter Wasser genau so groß wie das Gewicht des gesamten Eisberges.

mp eV

Wasservögel wie diese Enten sind leichter als Wasser. Daher schwimmen sie.

erl

Schwimmen – Schweben – Sinken

Sobald ein Schiff beladen ist, wird es schwerer. Dann sinkt es so tief ins Wasser, bis der Auftrieb wieder so groß ist wie das Gewicht des Schiffes und seiner Ladung.

Wenn das Gewicht der Flüssigkeit, die ein Körper verdrängt, größer ist als sein eigenes, dann schwimmt er.

Schwimmen

Nimm ein Schwimmbrett oder ein Stück Holz und drücke es unter Wasser. Um es unter Wasser zu drücken, musst du Kraft aufwenden. Wenn du es loslässt, steigt es auf und schwimmt an der Oberfläche. Wie der Eisberg befindet sich auch das Brett zum Teil unter Wasser.

Auch Schiffe schwimmen

Oly

unbeladenes Schiff: Wenn es voll beladen ist, sinkt es so weit ins Wasser, dass nur noch der rote Teil herausragt.

Mit der Kraft, die du brauchst, um das Brett unter Wasser zu drücken, wirkst du dem Auftrieb entgegen. Sobald das Brett an der Oberfläche schwimmt, befindet es sich im Gleichgewicht. Die Auftriebskraft und die Gewichtskraft sind gleich groß.

Wenn du eine Rolle mit Alufolie ins Wasser legst, geht sie unter. Aber was geschieht, wenn du ein Stück Folie abreißt und sie zu einer Kugel formst? Geht die Kugel unter?

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

Große Schiffe sind aus Eisen. Obwohl Eisen eine höhere Dichte als Wasser hat, schwimmen sie. Der Grund dafür ist, dass sie hohl sind.

hohle Eisenkugel

hohle Halbkugel

Eisenkugel

Stell dir eine Kugel aus Eisen vor! Ihr Gewicht ist größer als das des verdrängten Wassers. Daher geht sie unter. Wenn die Kugel aber hohl ist, ist ihr Gewicht viel geringer. Da das Volumen des verdrängten Wassers gleich ist, bleibt der Auftrieb aber gleich. Deshalb schwimmt sie. Ein Schiff ist so etwas Ähnliches wie eine halbe Hohlkugel. Das Gewicht des verdrängten Wassers ist größer als das Gewicht des Schiffes.

Unsere Welt besteht aus Teilchen Schweben

ag

Dieses Seepferdchen bleibt im Wasser „stehen“, ohne zu sinken oder aufzusteigen. Wie alle Fische besitzt es eine Schwimmblase. Diese kann das Seepferdchen beliebig mit Luft füllen und so seinen Auftrieb verändern, sodass es im Wasser aufsteigt, sinkt oder schwebt.

Andere Tiere wie die Qualle bestehen fast ausschließlich aus Wasser. Daher ist ihr Auftrieb genau so groß wie ihr Gewicht. Auch sie schweben im Wasser.

Schwimmblase

erl

Ballasttank: Behälter, in den Flüssigkeit eingefüllt werden kann, um das Gewicht zu erhöhen

Seepferdchen

Qualle

Auch der Mensch kann im Wasser schweben. Taucher benutzen Bleigewichte an einem Gürtel, um ihr Körpergewicht so zu verändern, dass sie weder sinken noch an die Oberfläche getrieben werden.

Pressluft: zusammengedrückte Luft unter hohem Druck

Sinken

mp eV

U-Boote wiederum verwenden Ballasttanks, um ihren Auftrieb zu steuern. Im aufgetauchten Zustand sind die Tanks leer. Zum Tauchen lässt man Wasser in die Tanks fließen. Dadurch wird das U-Boot schwerer und sinkt. Um wieder aufzutauchen, wird dann mit Pressluft das Wasser aus den Tanks gedrückt.

Unter Wasser schwebendes U-Boot

Ein Körper, der eine höhere Dichte als Wasser hat, geht unter – er sinkt. In diesem Fall ist die Gewichtskraft größer als die Auftriebskraft.

Dichte von Flüssigkeiten

Betrachte den Mann auf dem Bild! Kannst du im Schwimmbad auf dem Rücken liegen und Zeitung lesen? Mit „normalem“ Wasser ist das nicht möglich.

Dieser Mann schwimmt im Toten Meer (Israel), das einen sehr hohen Salzgehalt hat. Dadurch weist es eine viel höhere Dichte als normales Wasser auf und der Auftrieb ist viel stärker.

Oly

So wie feste Stoffe unterscheiden sich auch Flüssigkeiten in ihrer Dichte. Von Quecksilber hast du schon gehört. Quecksilber hat eine sehr hohe Dichte, sie beträgt 13,5 g/cm³. Die Dichte von Wasser ist 1 g/cm³. Manche Flüssigkeiten wie Alkohol oder Öl haben eine geringere Dichte als Wasser, andere wie Quecksilber haben eine höhere Dichte. Die Dichte des Wassers kann erhöht werden, indem Stoffe wie Zucker oder Salz in Wasser aufgelöst werden.

Die Dichte einer Flüssigkeit wird mit dem Aräometer gemessen. Dieses besteht aus einer Glasröhre, in der sich unten ein Gewicht befindet. Je geringer die Dichte der Flüssigkeit ist, desto tiefer sinkt es ein. An einer Skala kann abgelesen werden, wie tief es gesunken und wie groß daher die Dichte der Flüssigkeit ist.

Aräometer

Versuch Führt die Experimente „Die Senkwaage“ und „Das beladene Boot“ auf S. 132 durch!

Auf jeden Körper in einer Flüssigkeit wirkt eine nach oben gerichtete Kraft – der Auftrieb. Dieser ist genau so groß wie das Gewicht der Flüssigkeit, die der Körper verdrängt.

Je nachdem, ob der Auftrieb größer, gleich groß oder kleiner ist als das Gewicht, schwimmt, schwebt oder sinkt der Körper.

83

Unsere Welt besteht aus Teilchen

Hauptbestandteile der Luft: Stickstoff: 78 % Sauerstoff: 21 % Argon: 0,9 % Kohlenstoffdioxid: 0,04 %

niedriger Druck

ag

17. DRUCK IN GASEN – DER LUFTDRUCK

komprimieren: zusammendrücken

hoher Druck

In einem Gas können sich die Teilchen frei bewegen und haben einen sehr großen Abstand zueinander.

Wenn auf sie ein Druck ausgeübt wird, rücken die Teilchen enger zusammen.

Dabei nimmt auch die Dichte des Gases zu, es wird komprimiert.

erl

84

Was ist eigentlich Luft?

Stickstoff: gasförmiger Stoff, der beim Einatmen zum Ersticken führt

Auch wenn man sie nicht sieht, ist die Luft spürbar. Wenn du auf eine Styroporkugel bläst, bewegt sie sich. Du hast beim Blasen die Luft in Bewegung gesetzt und diese übt eine Kraft auf die Kugel aus.

mp eV

Sauerstoff: gasförmiger Stoff, der bei der Atmung eine wichtige Rolle spielt; ist notwendig, um etwas verbrennen zu können

Luft ist ein Gemisch aus mehreren Gasen. Den größten Teil der Luft macht Stickstoff aus. Sauerstoff ist mit etwa 21 % der zweithäufigste Bestandteil von Luft. Zusätzlich sind in der Luft noch das Edelgas Argon, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid sowie in sehr geringen Mengen andere Gase enthalten.

Edelgas: gasförmiger Stoff, der sich mit keinem anderen Stoff verbindet

Ventil geöffnet

Mount Everest 8 848 m/325 mbar

Versuch

Führt die Experimente „Kraftübertragung durch Luft“ und „Zusammendrücken von Luft“ auf S. 133 durch!

Wie alle festen und flüssigen Stoffe hat auch Luft eine Masse. Wenn man in eine Glasflasche mit einer Fahrradpumpe Luft hineindrückt und dann das Ventil schließt, ist die Flasche schwerer als vorher. Der Unterschied ist die Masse der Luft, die man hineingepumpt hat.

Die Luft in der Atmosphäre der Erde

Unser Planet Erde ist von einer Lufthülle umgeben: die Atmosphäre. Wie in einer Flüssigkeit herrscht in der Atmosphäre ein bestimmter Druck, da das Gewicht des darüber liegenden Gases eine Kraft ausübt. Der Luftdruck beträgt auf Meereshöhe 1 013 hPa oder 1 013 mbar. Er nimmt ab, wenn man z. B. einen Berg besteigt. In der Atmosphäre ist die Dichte der Luft daher von der Höhe abhängig.

Oly

Vakuum: luftleerer Raum

Welche Eigenschaften hat Luft?

1 l Luft wiegt etwa 1,3 g.

1 m³ hat also eine Masse von ca. 1,3 kg.

Ihre Dichte ist 0,0013 kg/dm³.

Großglockner 3 798 m/630 mbar

Meereshöhe 0 m/1 013 mbar

nach dem Hineinpumpen von Luft Ventil geschlossen

Es gibt keine genaue Grenze der Atmosphäre. Die Dichte nimmt nach oben hin immer mehr ab, je näher man dem Weltraum kommt. Selbst in einer Höhe von mehreren hundert km gibt es noch Reste von Luft. Erst wenn man sich sehr weit von der Erde entfernt, herrscht ein Vakuum.

Die Teilchen eines Gases bewegen sich umso rascher, je höher die Temperatur ist.

Dadurch steigt der Druck in einem Gas bei steigender Temperatur. Wenn die Sonne auf die Erdoberfläche scheint, erwärmt sie dadurch auch die Luft und der Luftdruck steigt. Der Luftdruck ändert sich daher nicht nur mit der Höhe. Er ändert sich auch, wenn sich das Wetter ändert.

Unsere Welt besteht aus Teilchen

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Die Messung des Luftdrucks

Dosenbarometer

mp eV

Hast du schon einmal Limonade mit einem Strohhalm getrunken?

Wieso fließt die Flüssigkeit in deinen Mund, wenn du am Strohhalm saugst?

Wenn du saugst, erzeugst du in deinem Mund einen Unterdruck. Die Flüssigkeit ist aber dem höheren Luftdruck ausgesetzt. Zwischen deinem Mund und dem Trinkglas herrscht demnach ein Druckunterschied. Der Luftdruck presst die Limonade durch den Strohhalm in deinen Mund und gleicht dadurch den Druckunterschied wieder aus.

Nach demselben Prinzip funktionieren viele Pumpen, mit denen man Flüssigkeiten nach oben befördert. Bei der Kolbenpumpe wird durch die Bewegung eines Kolbens Unterdruck erzeugt. Der Luftdruck drückt dann von unten die Flüssigkeit in einem Rohr nach oben. Der Luftdruck beträgt etwa 1 bar, das entspricht einem Wasserdruck in einer Tiefe von 10 m. Daher kann auf diese Weise Wasser aus einer Tiefe von maximal 10 m nach oben gefördert werden. Weiter kann der Luftdruck das Wasser nicht nach oben drücken.

Oly

Luft unter hohem Druck

Druckluft, also Luft unter hohem Druck, hat große Bedeutung in vielen Bereichen des Alltags. Sie dient zum Aufpumpen von Fahrrad- und Autoreifen oder zum Zerstäuben von Flüssigkeiten in Spraydosen.

In der Technik werden damit Maschinen und Werkzeuge angetrieben. Ein Beispiel, das du sicher kennst, ist der Presslufthammer. Dabei wird Druckluft dazu verwendet, um einen Kolben in Bewegung zu setzen und auf den Meißel zu schlagen. Die Druckluft wird zuvor von einem Kompressor erzeugt.

Die Entdeckung des Luftdrucks Der italienische Physiker Torricelli füllte ein auf einer Seite geschlossenes Glasrohr mit Quecksilber und drehte es. Im geschlossenen Teil sank das Quecksilber bis auf eine Höhe von 760 mm.

Torricelli erkannte, dass der Luftdruck so stark ist, dass er das Gewicht von 760 mm Quecksilber in die Höhe drückt. Die Einheit Torr bezeichnet einen Druck, der der Höhe von 1 mm Quecksilber entspricht.

erl

Der Luftdruck kann auch mit einem Flüssigkeitsbarometer gemessen werden. Ändert sich der Luftdruck, dann ändert sich dadurch die Höhe der Flüssigkeit in einem Glasrohr.

Unterdruck und Druckluft

evakuieren: Luft herauspumpen, ein Vakuum schaffen

ag

Der Luftdruck wird mit dem Barometer gemessen. Ein Dosenbarometer besteht aus einer evakuierten Metalldose, die durch den Luftdruck zusammengedrückt wird. Ändert sich der Luftdruck, dann dehnt sich die Dose aus oder wird stärker verformt. Diese Bewegung der Dose wird auf einen Zeiger übertragen, an dem der Luftdruck abgelesen werden kann.

Hebel

Zylinder

Auslassventil

Was kann man tun, um Wasser aus einer Tiefe von mehr als 10 m nach oben zu befördern?

Kolben

zerstäuben: Flüssigkeiten in winzigen Tröpfchen versprühen

Einlassventil

Ansaugleitung

Meißel: Werkzeug zum Zerteilen fester Körper

Wasser

Kolbenpumpe

Luft ist ein Gasgemisch. Der Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 1 000 hPa, er nimmt mit der Höhe ab. Der Luftdruck wird mit dem Barometer gemessen. Ein luftleerer Raum heißt Vakuum. Ein Druckunterschied kann dazu genutzt werden, um Flüssigkeiten zu transportieren. Luft unter hohem Druck ist in der Technik wichtig.

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Unsere Welt besteht aus Teilchen

18. AUFTRIEB IN GASEN – DAS FLIEGEN

ag

Zu seinem Geburtstag wird Boris von seinen Eltern zu einer Ballonfahrt eingeladen. Der Ballonfahrer hält einen Brenner in die Öffnung des Ballons. Langsam füllt sich die bunte Hülle mit heißer Luft und bald darauf schwebt der Ballon über dem Startplatz. Boris und seine Eltern klettern in den Korb, die Halteseile werden gelöst und schon fährt der Ballon los. Unterwegs betätigt der Fahrer immer wieder den Brenner und wärmt die Luft im Ballon auf. Boris fragt den Fahrer, warum er das macht. „Mit dem Brenner kann ich die Höhe des Ballons steuern“, erklärt ihm dieser.

erl

Bereits im Jahr 1783 flog in Paris der erste Heißluftballon.

Seine Erfinder waren die Brüder Montgolfier.

Was genau geschieht bei einer Ballonfahrt?

Brenner: Gerät zum Verbrennen

Die Dichte der Luft hängt sehr stark von der Temperatur ab. Heiße Luft, so wie im Heißluftballon, ist viel leichter als die kältere Luft in der Umgebung.

mp eV

Dichte von Gasen (in kg/dm³): Wasserstoff: 0,00009 Helium: 0,00018 Stickstoff: 0,00125 Sauerstoff: 0,00143 Argon: 0,00178 Kohlenstoffdioxid: 0,00198

Heiße Luft ist „leichter“ als kalte!

So wie in Flüssigkeiten gibt es auch in der Luft einen Auftrieb. Er ist so groß wie das Gewicht der verdrängten Luft. Die Dichte der Luft ist aber sehr gering. Daher muss ein Heißluftballon ein sehr großes Volumen haben. Nur dann erzeugt die warme Luft in seinem Inneren genügend Auftrieb, damit Menschen dadurch in die Höhe gehoben werden können. Der Ballonfahrer muss die Luft mit seinem Brenner immer wieder erwärmen. Wenn nicht, kühlt diese zu sehr ab und der Ballon verliert seinen Auftrieb.

Unterschiedliche Gase haben unterschiedliche Dichte Wenn du einen Luftballon aufbläst und loslässt, sinkt er zu Boden. Die Luft im Ballon hat eine höhere Dichte als die Luft in der Umgebung und ist deshalb schwerer.

Aber warum fliegen dann „Luftballons“, die du vielleicht schon einmal auf einem Jahrmarkt oder bei Werbeveranstaltungen bekommen hast?

Fliegen mit Luftschiffen

Oly

Am 14. Oktober 2012 stieg der Österreicher Felix Baumgartner mit einem Heliumballon bis 39 km auf.

Aus dieser Höhe sprang er mit dem Fallschirm ab.

Es gibt auch Gase, die leichter als Luft sind. In Ballons, die mit solchen Gasen gefüllt sind, entsteht Auftrieb.

Aus diesem Grund fliegen sie. Das bekannteste Gas, das zum Füllen von Ballons verwendet wird, ist das Edelgas Helium.

Auch in der Luft gibt es Auftrieb. Da heiße Luft leichter ist als kalte, fliegen Heißluftballons. Es gibt Gase wie Helium, die leichter als Luft sind. Zeppeline fliegen, weil sie mit Helium gefüllt sind.

Helium wird jedoch nicht nur zum Füllen kleiner Ballons auf Jahrmärkten verwendet. Man kann mit diesem Gas auch große Luftschiffe zum Fliegen bringen. Bevor es Flugzeuge gab, wurden solche Luftschiffe, die häufig nach ihrem Erfinder auch „Zeppelins“ genannt werden, für den Transport von Menschen und Fracht verwendet.

Zeppelin

9

Unsere Welt besteht aus Teilchen 87

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

erl

ag

1) Schweben – schwimmen – sinken? – Kennzeichne diese Fotos! Schreibe A = schweben, B = schwimmen, C = sinken! %%

mp eV

2) Die Dichte von Flüssigkeiten – Im Kästchen links findest du Angaben über die Dichte einiger Flüssigkeiten.

In welcher davon sinkt das Aräometer am tiefsten ein, in welcher am wenigsten? Ordne die Flüssigkeiten richtig!%%% am wenigsten Flüssigkeit Dichte von Flüssigkeiten (in g/cm³) Alkohol: Benzin: Diesel: Meerwasser: Olivenöl: Quecksilber: Wasser:

0,79 0,75 0,83 1,03 0,91 13,6 1,00

Das Aräometer sinkt ein

am tiefsten

1) _______________________ 2) _______________________ 3) _______________________ 4) _______________________ 5) _______________________ 6) _______________________ 7) _______________________

Oly

3) So ein Durcheinander – Ordne diesen Text über den Auftrieb, indem du davor die Ziffern 1 bis 5 einsetzt!%%

Der Druck, der von oben wirkt, ist aufgrund der geringeren Tiefe kleiner als der von unten.

Die seitlichen Druckkräfte sind von allen Seiten gleich groß und gleichen sich daher aus.

Diese spüren wir als Auftrieb.

Auf einen Körper in einer Flüssigkeit wirken von allen Seiten Druckkräfte.

fi

Daraus ergibt sich eine resultierende Druckkraft, die nach oben wirkt.

88 Unsere Welt besteht aus Teilchen

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

Dudelsack 1. Sie enthält eine Flüssigkeit sowie unter Druck stehendes Gas. Das Gas presst die Flüssigkeit durch die Düse.

2. Zum Aufpumpen eines Fahrradreifens drückt man den Kolben dieses Gerätes hinein. Dadurch wird die Luft zusammengepresst und durch einen dünnen Schlauch in den Reifen gedrückt.

erl

Spraydose

ag

4) Gegenstände unter Druck – Ordne die Beschreibungen den Abbildungen richtig zu, indem du die Nummern zu den Bildern schreibst! %%

3. Der Musiker bläst mit einem Mundstück dieses Gerät auf.

Dann klemmt er es unter den Arm und drückt zu. Die Luft entweicht durch die Pfeifen und erzeugt dabei Töne.

mp eV

4. Wird er zusammengedrückt, entsteht ein Überdruck in der Luft, die sich darin befindet. Diese entweicht durch ein dünnes Rohr und bläst in die Flammen. Durch den Sauerstoff in der Luft brennt das Holz besser.

Presslufthammer

5. Durch einen Schlauch wird Luft mit hohem Druck in den Zylinder gedrückt. Die Luft schleudert einen Kolben nach unten. Dieser trifft auf einen Meißel, mit dem der Beton zerschlagen wird.

Blasebalg

Fahrradpumpe

5) Dein Ohr und der Luftdruck – In diesem Merktext fehlen einige Wörter. Setze die fehlenden Wörter richtig ein! %%

Dein _______________ ist durch die Ohrtrompete mit deinem Rachenraum verbunden. Daher herrscht in deinem Ohr derselbe Druck wie in der _________________.

Wenn du in einem Auto im Gebirge sehr rasch ____________

Oly

fährst, ändert sich durch den Höhenunterschied der _________________. Dabei kann es geschehen, dass der Druck

durch die Ohrtrompete nicht rasch genug _____________________ werden kann. Dann ist der

Druck in deinem Ohr höher als außerhalb und das ____________________ wölbt sich nach außen.

Das kann sehr schmerzhaft sein. Durch Schlucken oder _____________ eines Kaugummis öffnet

bergauf © Trommelfell © Kauen © Umgebung © ausgeglichen © Mittelohr © Luftdruck

fi

sich die Ohrtrompete und der Druck kann wieder ausgeglichen werden.

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19. DAS FLIEGEN: SCHWERER ALS LUFT

Wie fliegen winzige Gegenstände?

Partikel: kleinste Teilchen Pollen: Blütenstaub

Sandstürme Vor allem in der Wüste treten immer wieder Sandstürme auf. Dabei handelt es sich um große Mengen von feinem Sand oder Staub, der vom Wind aufgewirbelt und über weite Strecken befördert wird.

Manchmal sind diese Stürme so stark und tragen so viel Staub mit sich, dass dieser aus der Wüste Sahara in Afrika über das Mittelmeer bis zu uns gelangt.

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Betrachte dieses Bild! Die Sonnenstrahlen, die durch die Fenster einfallen, machen Staub sichtbar. Dieser wird aufgewirbelt, wenn sich die Luft bewegt, und schwebt dann oft stundenlang, bevor er sich wieder senkt.

Staub besteht aus winzigen Partikeln, die z. B. von fein zerriebenen Steinen stammen. Somit sind sie schwerer als Luft. Trotzdem „fliegen“ sie sehr lange, bevor sie zu Boden fallen.

mp eV

Die Brownsche Bewegung

aufwirbeln: durcheinanderbringen, in die Höhe befördern

ag

Im letzten Kapitel hast du davon gehört, dass ein Ballon, der mit heißer Luft oder Helium gefüllt ist, fliegen kann. So ein Ballon fliegt, weil er leichter als Luft ist. Aber wie fliegen Körper, die schwerer als Luft sind?

Im Jahr 1827 untersuchte der schottische Biologe Robert Brown unter dem Mikroskop Pollen in einem Wassertropfen. Dabei stellte er fest, dass sie sich ohne erkennbaren Grund hin- und herbewegen.

Die Erklärung dafür wurde etwa 50 Jahre später gefunden: Wie du weißt, besteht Wasser aus kleinsten Teilchen, die sich ständig bewegen.

Jedes Mal, wenn ein Wasserteilchen ein Pollenkorn anstößt, versetzt es dieses ein wenig in Bewegung. Dadurch bewegt sich das Pollenkorn auf einem zufälligen Weg durch den Wassertropfen.

Partikel in der Luft

Auch in der Luft führen winzige Partikel wie Staub eine Brownsche Bewegung durch.

Die Teilchen, aus denen die Luft besteht, stoßen die Staubpartikel immer wieder an und befördern sie damit immer wieder nach oben. Daher schweben sie sehr lange in der Luft.

Oly

Die Pollen von Pflanzen, die Brown im Wasser beobachtet hat, führen in der Luft ebenfalls unregelmäßige Bewegungen aus. Dadurch bleiben sie längere Zeit in der Luft und können vom Wind über eine sehr weite Strecke transportiert werden, bevor sie die Blüten einer anderen Pflanze bestäuben. Auf ihrem Weg durch die Luft können Pollen jedoch auch von Menschen eingeatmet werden. Für viele kann dies sehr unangenehme Folgen haben, da sie auf die Pollen allergisch reagieren. Der Körper betrachtet die Pollen als gefährliche Eindringlinge und wehrt sich gegen sie. Die Folgen können Heuschnupfen, tränende Augen und Juckreiz sein – die Allergie.

Pollen der Birke

Staubsturm in Afghanistan Stellt euch im Turnunterricht im Kreis um einen Fußball und werft von allen Seiten mit kleinen Softbällen auf den Fußball! Was beobachtet ihr?

Wie bewegt sich der Fußball?

Pollen unter dem Mikroskop Allergie: Überempfindlichkeit des Körpers gegen bestimmte Stoffe

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Unsere Welt besteht aus Teilchen Nebel und Wolken

ag

Winzige Wassertröpfchen bewegen sich in der Luft genauso wie Pollen oder Staub. Wenn sehr viele dieser Tröpfchen vorhanden sind, sind sie auch mit freiem Auge zu sehen. Wir kennen dieses Phänomen als „Wolke“.

Häufig bilden sich Wolken auch direkt an der Erdoberfläche. Dann werden sie „Nebel“ genannt.

Diffusion

Phänomen: bemerkenswerte Erscheinung

mp eV

Gib Erdbeer- oder Himbeersaft in ein Glas und schütte vorsichtig Orangensaft darüber, wie im unten stehenden Bild! Lasse das Glas einige Zeit stehen und beobachte, wie es sich verändert!

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Nebel

Die Teilchenbewegung führt dazu, dass sich 2 verschiedene Flüssigkeiten miteinander vermischen. An der Grenze zwischen den Flüssigkeiten stoßen die Teilchen einander an. Einzelne Teilchen einer Flüssigkeit gelangen dabei in die andere, bis nach einiger Zeit die Teilchen der beiden Flüssigkeiten gleichmäßig verteilt sind. Diese Durchmischung durch die Teilchenbewegung nennt man Diffusion.

Auch zwischen 2 verschiedenen Gasen führt die Diffusion zu einer Durchmischung.

Eigenständiges Fliegen

Heißluftballons, Pollen und Wassertröpfchen fliegen „von selbst“. Größere Körper, die schwerer als Luft sind, müssen zum Fliegen einen Beitrag leisten. Sie müssen Kraft und Bewegung aufwenden, um den für das Fliegen notwendigen Auftrieb zu erhalten.

Bewegung erzeugt Auftrieb

Bis jetzt haben wir Flüssigkeiten und Gase wie die Luft in Ruhe betrachtet. Der Auftrieb kommt ausschließlich durch den Unterschied der Dichte von Stoffen zustande. Wenn Flüssigkeiten und Gase sich bewegen, sind aber gänzlich neue Phänomene zu beobachten.

Die Wasserstrahlpumpe

Oly

Wiederhole das Experiment, aber diesmal schütte den Orangensaft aus einer größeren Höhe auf den Erdbeer- oder Himbeersaft!

Wodurch unterscheidet sich das Ergebnis?

Die Wasserstrahlpumpe kann dazu verwendet werden, Luft oder andere Gase aus einem Gefäß zu saugen und dadurch ein Vakuum zu erzeugen. Sie besteht aus zwei ineinander gesteckten Rohren.

Wasser Das Wasser strömt mit hoher Geschwindigkeit aus dem oberen Rohr in das untere. Seitlich wird es mit dem Gefäß verbunden, Luft das leergepumpt werden soll.

Wiederhole das erste Experiment, aber rühre diesmal die Flüssigkeiten mit einem Löffel um! Was geschieht?

Die Teilchen des strömenden Wassers stoßen mit den Gasteilchen zusammen und reißen sie mit sich. So nimmt die Anzahl der Gasteilchen ab und es entsteht ein Unterdruck.

Unsere Welt besteht aus Teilchen Der Parfümzerstäuber

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Düse

Nicht nur strömende Flüssigkeiten erzeugen Unterdruck. Auch Gas Gase, die sich bewegen, haben dieselbe Wirkung.

ag

Flakon: kleines Fläschchen

Parfümzerstäuber

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Beim Parfümzerstäuber wird Luft aus einer Handpumpe über ein Flüssigkeit dünnes Röhrchen geblasen, das in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Durch den Luftstrom entsteht Unterdruck. So wird die Flüssigkeit aus dem Flakon gesaugt. Sie vermischt sich mit der Luft und wird als feine Tröpfchen durch die Düse geblasen.

Der Aerodynamische Auftrieb

Halte zwei Papierblätter im Abstand von etwa 10 cm und lass sie nach unten hängen! Dann blase von oben zwischen die beiden Blätter! Was geschieht?

Aerodynamik: „Aero“ heißt Luft und „Dynamik“ Bewegung.

Aerodynamik bezeichnet daher die Bewegung der Luft.

Auftrieb

mp eV

Solange du bläst, werden die Blätter aufeinander zu gezogen. Die Luft, die zwischen den Blättern strömt, erzeugt durch die Strömungsgeschwindigkeit Unterdruck.

Dieser bewirkt die Bewegung des Papiers.

Ein strömendes Gas erzeugt Unterdruck!

Die Tragfläche eines Flugzeugs

Ein Flugzeug kann deshalb fliegen, weil seine Tragflächen eine besondere Form haben. Man nennt diese Form „Tragflächenprofil“.

Luft bewegt sich schne ller

Luftdruck

Auftrieb

Die obere Seite der Tragfläche ist gekrümmt. Die Luft, die von vorne an die Tragfläche strömt, hat durch die Luftdruck Krümmung an der Oberseite weniger Raum. Daher muss sie schneller die Tragfläche entlangströmen. Die höhere Geschwindigkeit der Luft bewirkt Unterdruck.

Luftströmung am Hausdach Der Wind, der über ein Hausdach strömt, erzeugt ebenfalls Unterdruck. Wenn der Wind stark genug weht, kann dadurch das Dach nach oben „gesaugt“ werden.

Oly

An der Unterseite findet die vorbeiströmende Luft mehr Platz, daher wird sie dort langsamer. Dadurch entsteht hier Überdruck.

Der Luftdruck an der Oberseite der Tragfläche ist insgesamt geringer als an der Unterseite. Wie beim Auftrieb in einer Flüssigkeit ergibt sich daraus eine resultierende Druckkraft, die nach oben gerichtet ist.

Tragfläche eines Flugzeugs

Damit die Luft mit ausreichender Geschwindigkeit die Tragfläche entlangströmt, muss das Flugzeug selbst eine hohe Geschwindigkeit haben.

Durch Sturm abgetragenes Dach

Versuch Führt das Experiment „Der Zerstäuber“ auf S. 136 durch!

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Unsere Welt besteht aus Teilchen Hubschrauber

Rotor: ein sich drehender Teil einer Maschine gewölbt: gebogen, nicht flach

Hubschrauber

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Rotor eines Hubschraubers

Das Fliegen im Tierreich

Die Form eines Vogelflügels ist ähnlich der Tragfläche eines Flugzeugs. Auch sie ist nach oben hin gewölbt und unten flach. Um aufzusteigen, schlagen Vögel mit ihren Flügeln. Wenn sie die Flügel nach unten schlagen, strömt die Luft an der Oberfläche rascher. So erhalten sie Auftrieb. Dabei bilden die Federn eine luftundurchlässige Fläche.

mp eV

Segelflug und Thermik Flugzeuge wie Segelflugzeuge kommen auch ohne Motor aus. Sie haben sehr große Tragflächen, sodass ihr Auftrieb sehr hoch ist. Sie werden von anderen Flugzeugen in die Höhe gezogen und gleiten dann langsam zu Boden. Segelflieger nutzen die Thermik, das sind warme nach oben gerichtete Winde, so genannte Aufwinde, um möglichst lang in der Luft zu bleiben. Auch Vögel nutzen die Thermik. Sie können dadurch oft stundenlang fliegen, ohne die Flügel zu bewegen.

ag

Auch ein Hubschrauber erhält seinen Auftrieb durch Tragflächen. Allerdings sind die Tragflächen eines Hubschraubers nicht starr montiert, sondern drehbar.

Man nennt sie Rotorblätter. Sobald sich der Rotor in Bewegung setzt, strömt die Luft über die sich drehenden Rotorblätter und erzeugt so den Auftrieb.

Beobachte Vögel!

Welche nutzen die Thermik besonders gut aus? Frag deinen Biologielehrer!

Die Flügel der Fledermäuse bestehen lediglich aus einer dünnen Haut. Diese ist so geformt, dass sie ebenfalls nach oben gewölbt ist.

Auch Fledermäuse drehen ihre Flügel beim Fliegen. Allerdings besitzen sie keine Federn.

Daher müssen sie ihre Flügel bei der Aufwärtsbewegung ein wenig zusammenfalten, um den Luftwiderstand zu verringern.

Oly

Kleine Partikel führen in der Luft die Brownsche Bewegung aus. Diese Bewegung führt auch zur Diffusion, die bewirkt, dass sich Flüssigkeiten und Gase durchmischen. Bewegte Flüssigkeiten und Gase erzeugen Unterdruck. An der Oberfläche einer Tragfläche entsteht dadurch Unterdruck, der ein Flugzeug oder einen Vogel nach oben hebt.

Beim Flügelschlag nach oben dreht der Vogel seine Flügel so, dass die Vorderkante schräg nach oben zeigt.

So entsteht ebenfalls Auftrieb. Beim aufwärts gerichteten Flügelschlag öffnen sich zwischen den Federn Zwischenräume, durch die die Luft strömen kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Luftwiderstand des Flügels den Vogel nach unten drückt.

Insekten wie Fliegen, Libellen und Käfer stellen ihre Flügel waagrecht, wenn sie sie nach unten schlagen. Dadurch drücken sie die Luft unter sich weg und heben sich nach oben. Beim Aufwärtsschlagen der Flügel drehen sie diese so, dass sie fast senkrecht stehen. So wird der Luftwiderstand geringer.

Die vorderen Flügel der Käfer sind harte Deckflügel.

Am Boden bedecken sie die empfindlichen hinteren Flügel und schützen sie vor Verletzung. Beim Fliegen wirken sie wie die Tragflächen eines Flugzeugs und erzeugen zusätzlichen Auftrieb.

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Unsere Welt besteht aus Teilchen 93

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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ag

1) Fliegen im Pflanzenreich – Welche dieser Früchte von Pflanzen fliegen, um ihre Samen zu verbreiten?

Ringle die Buchstaben bei diesen Bildern ein und bring sie in die richtige Reihenfolge, dann erhältst du ein Lösungswort! %%

A

U

F

Baumwolle

T

Löwenzahn

L

Kokosnuss

mp eV

Weintraube

E

Ahorn

Tipp: Pflanzen, die Ihre Samen durch den Wind verbreiten, bilden häufig Früchte aus, die wie Tragflächen oder Fallschirme geformt sind.

Manche dieser Früchte sind auch von feinen Fasern umgeben, sodass sie vom Wind leicht weggeweht werden können.

Waldrebe

G

Apfel

H Tomate

LÖSUNGSWORT:

•

•

•

•

fi

Oly

2) Diffusion – Hier siehst du zwei Flüssigkeiten im selben Gefäß, die sich durch Diffusion durchmischen. Bringe die Bilder in die richtige Reihenfolge, indem du die Zahlen von 1 bis 3 unter die Gefäße schreibst! %

94 Unsere Welt besteht aus Teilchen

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Daidalos und Ikaros – Lies zuerst diese griechische Sage genau durch und beantworte dann die Fragen! %%%

mp eV

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Minos, der König von Kreta, gab dem Baumeister Daidalos den Auftrag, ein Gefängnis für seinen Sohn, den Minotaurus, zu bauen. Dieser war halb Mensch, halb Stier. Daidalos erbaute ein Labyrinth mit vielen Irrgängen. Als Daidalos Heimweh nach seiner Heimatstadt Athen bekam, wollte Minos ihn nicht ziehen lassen. Daher entwickelte Daidalos einen Plan. Er suchte Vogelfedern und band diese mit Fäden und Wachs zusammen. Nach einigen Probeflügen baute Daidalos auch für seinen Sohn Ikaros ein Flügelpaar.

Bevor sie abflogen, warnte er aber seinen Sohn: „Flieg immer dicht hinter mir, nicht zu hoch und nicht zu tief!

Kommst du der Sonne zu nahe, so schmilzt das Wachs und du stürzt ab. Fliegst du aber zu tief, werden deine Flügel im Meer nass und schwer und du kannst nicht weiterfliegen.“ Anfangs ging alles gut. Der Vater flog voran und sein Sohn folgte ihm. Doch mit der Zeit wurde Ikaros übermütig. Er flog in die Höhe, kam der Sonne zu nah und das Wachs begann zu schmelzen, sodass Ikaros in die Tiefe stürzte.

Was erbaute Daidalos für den König von Kreta? ein Theater

einen Palast

ein Labyrinth

Womit verband Daidalos die Vogelfedern? mit Fäden und Wachs

mit Draht

mit Nägeln

Warum sollte Ikaros nicht zu hoch fliegen? weil er nicht schwindelfrei war

weil die Luft zu dünn war

weil das Wachs schmilzt

4) Flugmaschinen – Ordne die Bilder richtig den Beschreibungen zu, indem du die Nummern zu den Bildern schreibst! %%%

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PHYSIK-LABOR: Flüssigkeiten und Gase

Experiment 1: Auftrieb in Luft

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Ziel des Experiments: Zeige, dass warme Luft leichter ist als kalte!

Du brauchst: Blatt Papier * Zirkel * Lineal * Schere * Stecknadel * Magnet * Kerze 1

2

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Ablauf: ƒ Zeichne auf das Blatt Papier einen großen und einen kleinen Kreis! Unterteile den großen Kreis mit dem Lineal in 8 gleich große Teile! ƒ Schneide den großen Kreis aus! Danach schneide die Scheibe vom Rand entlang der Striche bis zum kleinen Kreis ein! ƒ Biege die einzelnen Teile am Rand auf einer Seite ein wenig nach oben, auf der anderen Seite nach unten! Achtung: Biege sie aber immer in die gleiche Richtung! ƒ Dann stecke die Nadel durch das Zirkelloch und halte sie mit dem Magnet fest! ƒ Zum Schluss halte die Scheibe etwa 20 cm über die Kerzenflamme!

mp eV

Beobachte, was mit der Scheibe geschieht! Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

Experiment 2: Anomalie des Wassers

Ziel des Experiments: Beobachte, wie sich Eis beim Schmelzen verhält!

Du brauchst: Glas mit warmem Wasser * einige Eiswürfel * Filzstift Ablauf: ƒ Gib die Eiswürfel in das warme Wasser! ƒ Markiere dann mit dem Filzstift die Höhe des Wassers im Glas! ƒ Zum Schluss beobachte das Glas, während das Eis schmilzt!

Wie verändert sich die Höhe des Wassers im Glas, während das Eis schmilzt? Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

Experiment 3: Das Ei in der Flasche

Ziel des Experiments: Befördere ein hartgekochtes Ei in eine Flasche!

Oly

Du brauchst: ein hartgekochtes Ei * Stück Papier * Flasche, deren Hals etwas kleiner ist als das Ei

Ablauf: ƒ Zünde zuerst das Stück Papier an und wirf es in die Flasche! ƒ Dann lege das Ei auf die Öffnung der Flasche! ƒ Nach kurzer Zeit wird das Ei in die Flasche gesaugt.

Was ist geschehen? Finde eine Erklärung, warum das Ei in die Flasche gesaugt wird!

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PHYSIK-LABOR: Flüssigkeiten und Gase

Experiment 4: Der Cartesische Taucher

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Ziel des Experiments: Reguliere den Auftrieb einer Styroporkugel!

Du brauchst: Plastikflasche mit Schraubverschluss * Styroporkugel * Nadel * Faden * Büroklammern

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Ablauf: ƒ Stecke die Nadel durch die Styroporkugel und binde den Faden fest! ƒ Binde so viele Büroklammern an den Faden, dass die Kugel im Wasser gerade nicht untergeht! ƒ Dann fülle die Flasche mit Wasser, gib die Kugel mit den Büroklammern in die Flasche und schraube sie zu! ƒ Wenn du die Flasche zusammendrückst, geht die Kugel unter. Lässt du los, steigt sie wieder auf.

Warum sinkt die Styroporkugel, wenn du die Flasche zusammendrückst? Finde eine Erklärung! Denk daran, dass Styropor zum Großteil aus Luft besteht!

mp eV

Übrigens: Der Cartesische Taucher ist nach dem französischen Wissenschaftler René Descartes benannt, der im Jahr 1640 erstmals einen solchen Taucher baute.

Experiment 5: Artesischer Brunnen

Ziel des Experiments: Stelle fest, wie hoch Wasser spritzen kann!

Du brauchst: ein Stück Gartenschlauch * Trichter * Düse * Wasser

Oly

Ablauf: ƒ Stecke den Trichter in ein Ende des Schlauches, die Düse in das andere! ƒ Halte das Ende mit der Düse über ein Auffangbecken oder über einen Wasserabfluss! ƒ Nun gieße Wasser in den Trichter! ƒ Beobachte, was geschieht, wenn du - das Ende mit der Düse hebst oder senkst!

- die Düse höher hältst als den Trichter! ƒ Stelle fest, wie hoch das Wasser maximal aus der Düse spritzen kann!

Experiment 6: Papierflugzeugwettbewerb Ziel des Experiments: Welches Papierflugzeug fliegt am weitesten?

Ablauf: ƒ Sucht verschiedene Bastelanleitungen für Papierflugzeuge (z. B. aus dem Internet)! ƒ Bastelt verschiedene Papierflugzeuge! ƒ Markiert die Startlinie und werft von dort aus eure Flugzeuge!

Welches Flugzeug fliegt am weitesten?

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PHYSIK-NEWS: Die Welt der Teilchen

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Zu einem richtig eingeschenkten Glas Bier gehört auch eine Haube aus Bierschaum.

Dieser Schaum besteht aus einer großen Zahl von winzig kleinen Bläschen. Das Geschirrspülmittel, mit dem der Gastwirt das Glas auswäscht, verringert die Oberflächenspannung.

Wird das Glas vor dem Einschenken des Biers nicht gründlich mit klarem Wasser ausgespült, bleiben Reste des Spülmittels zurück. Dann ist die Oberflächenspannung im Bier zu gering und es können keine Bläschen entstehen.

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Gefahr für den Bierschaum

Auch das ist ein Thermometer!

Wenn Erdöl ins Wasser gelangt, schwimmt es daher an der Oberfläche. Es verklebt das Gefieder von Wasservögeln, die dann sterben.

mp eV

In einer Flüssigkeit schwimmen mehrere Glaskugeln, an denen kleine Scheiben mit Temperaturangaben hängen.

Diese Kugeln haben unterschiedliche Masse und daher unterschiedlichen Auftrieb. Ist die Flüssigkeit kalt, dann schwimmen alle Kugeln an der Oberfläche. Steigt die Temperatur, dann sinkt die Dichte der Flüssigkeit und der Auftrieb der Kugeln nimmt ab. Eine nach der anderen sinkt dann auf den Boden des Gefäßes. An den Scheiben der Kugeln, die noch oben schwimmen, erkennt man die Temperatur der Flüssigkeit. So ein Thermometer nennt man „Galileo Thermometer“.

Öl ist leichter als Wasser!

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Methaneis – die Energiequelle der Zukunft?

Oly

Methan ist ein leicht brennbares Gas, das auch im Erdgas vorkommt. In den Meeren wird Methan von winzig kleinen Lebewesen gebildet. Bei einem Druck von mehr als 20 bar und einer Temperatur von 2 bis 4 °C bildet dieses Methan gemeinsam mit Meerwasser Methaneis. Riesige Mengen von Methaneis haben sich in einer Wassertiefe von 500 bis 1000 m im Laufe der Zeit angesammelt. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen schätzen, dass die Energie, die in den Methaneisvorkommen gespeichert ist, etwa doppelt so groß ist, wie die Energie in allen Erdöl-, Erdgasund Kohlevorkommen zusammen.

Allerdings weiß man noch nicht, wie man diese Energiequelle nutzen kann. Wird das Methaneis an die Oberfläche gebracht, verwandelt es sich nämlich sehr rasch wieder in Gas.

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Richtiges Verhalten auf dem Eis

Gehe niemals alleine auf zugefrorene Flüsse oder Seen, wenn niemand in der Nähe ist, der im Notfall Hilfe holen kann!

Wenn das Eis knistert und knackt oder Risse aufweist, darf das Eis nicht betreten werden.

Wenn du bereits auf dem Eis bist, leg dich flach hin!

Dann verteilt sich dein Körpergewicht auf eine größere Fläche und der Druck auf das Eis ist geringer. Bewege dich langsam und krieche zum Ufer!

Hast du das gewusst? ƒ Der Salzgehalt von Meerwasser ist nicht überall gleich. Im Durchschnitt beträgt der Salzgehalt der Weltmeere etwa 3,5% (35 g Salz pro Liter Meerwasser). Der Atlantik ist etwas salziger, der Pazifik enthält etwas weniger Salz. ƒ Das Mittelmeer hat einen Salzgehalt von 3,74%. ƒ Die Ostsee hat einen Salzgehalt von nur 0,8%. ƒ Am salzigsten sind Gewässer, die keine Verbindung zum Meer haben. Dort verdunstet das Wasser und das Salz bleibt zurück. Daher enthält das Tote Meer in Israel 27% Salz.

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PHYSIK-NEWS: Die Welt der Teilchen Spektakuläres Experiment in Magdeburg Hast du das gewusst?

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Im Jahr 1654 zeigte Otto von Guericke, der Bürgermeister der deutschen Stadt Magdeburg, wie stark der Luftdruck ist. Er ließ zwei Halbkugeln aus Kupfer mit einem Durchmesser von etwa 50 cm anfertigen. Guericke legte die Halbkugeln aneinander und pumpte die Luft heraus. Insgesamt waren 16 Pferde nicht in der Lage, die „Magdeburger Halbkugeln“ auseinanderzuziehen.

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ƒ Von einer Explosion spricht man, wenn ein Gefäß zerbricht, in dem ein Überdruck herrscht.

Dies führt dazu, dass der Druck die Splitter nach außen schleudert. ƒ Herrscht in dem Gefäß Unterdruck, so fliegen die Splitter nach innen.

In diesem Fall spricht man von Implosion.

1891:

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Pioniere der Luftfahrt

1909:

1927:

Die Brüder Wilbur und Orville Wright (USA) führen den ersten Motorflug durch.

Der Franzose Louis Blériot überfliegt als erster Mensch den Ärmelkanal zwischen Frankreich und England.

Der Amerikaner Charles Lindbergh überfliegt als erster Mensch den Atlantik.

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Als erster Mensch fliegt der Deutsche Otto Lilienthal mit einem selbst gebauten Segelflugapparat.

1903:

1932: Die amerikanische Pilotin und Frauenrechtlerin Amelia Earhart überfliegt als erste Frau den Atlantik.

Buchtipps

Die Katastrophe von Lakehurst

In den 1930er Jahren beförderten Luftschiffe regelmäßig Personen und Post zwischen Europa und Amerika hin und her. Am 6. Mai 1937 kam es dann zur Katastrophe. Das mit dem leicht brennbaren Gas Wasserstoff gefüllte deutsche Luftschiff „Hindenburg“ fing bei der Landung in Lakehurst (USA) Feuer und brannte völlig aus. 36 Menschen fanden dabei den Tod. Dieses Unglück bedeutete das Ende der großen Luftschiffe.

Susanna Partsch, Rosemarie Zacher: Wie Leonardo & Co. sich und anderen Flugapparate bauten (Berlin Verlag, 2008).

Werner Rentzsch: Experiment mit Spaß, Hydro& Aeromechanik, Akustik (Aulis Verlag).

Stefan Rahmstorf, Klaus Ensikat: Wolken, Wind und Wetter: Alles, was man über Wetter und Klima wissen muss (Deutsche Verlags-Anstalt, 2011).

Akustik

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20. EIN TON ENTSTEHT fasziniert: sehr beeindruckt

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Tobias besucht mit seinen Eltern ein Konzert.

Fasziniert beobachtet er den Schlagzeuger, der mit seinen Stöcken auf verschiedene Trommeln und Becken schlägt. Bei jedem Schlag ertönt ein lautes Geräusch, das gemeinsam mit den anderen Musikinstrumenten erklingt.

Führt die Experimente „Das klingende Lineal“, „Der singende Gartenschlauch“ und „Schwingende Luftsäulen“ auf S. 137 und 138 durch!

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Natürlich weiß Tobias, dass man Geräusche erzeugen kann, indem man auf einen Gegenstand schlägt. Aber diesmal will er es ganz genau wissen.

Versuch

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Zu Hause baut Tobias seine eigene Trommel. Er nimmt einen Kochtopf, spannt ein Stück Kunststofffolie darüber und befestigt es mit einem Gummiband. Dann legt er einige Reiskörner auf die Folie und schlägt mit einem Kochlöffel seitlich gegen den Topf.

Tobias beobachtet, was mit den Reiskörnern geschieht. Bei jedem Schlag tanzen sie auf der Folie. In den Pausen bleiben sie ruhig liegen.

Die Schläge bewirken, dass sich die Folie auf und ab bewegt, sie schwingt. Diese Schwingung versetzt die Reiskörner in Bewegung.

Auch über eine echte Trommel ist eine Folie gespannt, die Membran. Diese ist jedoch wesentlich fester als die, die Tobias verwendet hat. Daher kann man mit einem Stock auch fest draufschlagen, sodass sie in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingung wird auf die Luft übertragen und erreicht so unser Ohr.

Wie schwingt die Luft? schwingende Membran

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Bereiche mit höherem und geringerem Luftdruck

Verlauf des Luftdrucks neben einer Membran

Wenn sich die Membran der Trommel in eine Richtung bewegt, drückt sie die Luft zusammen. Direkt an der Oberfläche der Membran wird dadurch die Luft verdichtet und der Luftdruck steigt. Bewegt sich die Membran in die Gegenrichtung, verringert sich der Druck.

Die Teilchen der verdichteten Luft stoßen auf ihre Nachbarteilchen und verdichten diese ebenfalls. Diese Teilchen stoßen wiederum ihre Nachbarn an. Die Teilchen direkt an der Trommel strömen beim Zurückschwingen der Membran in den frei werdenden Raum und bewegen sich auf die Membran zu. Auch diese Bewegung überträgt sich auf die Nachbarteilchen. So entstehen abwechselnd Bereiche aus verdichteter und verdünnter Luft, die sich von der Membran wegbewegen: die Schallwelle. Die einzelnen Teilchen der Luft bewegen sich dabei kaum, sie schwingen nur hin und her.

Schall und Schwingung Eine schwingende Trommel erzeugt Schall. Aber umgekehrt kann Schall auch Schwingungen hervorrufen. Spanne die Gummihaut eines Luftballons über ein Glas und lege Reiskörner darauf.

Wenn du in der Nähe z. B. mit einer Trommel ein lautes Geräusch erzeugst, beginnt die Gummihaut zu schwingen und du kannst beobachten, wie sich die Reiskörner bewegen.

Membran: dünne Haut, Trennschicht

Wie die Wellen an der Wasseroberfläche breiten sich auch Schallwellen kreisförmig aus. Sie werden immer schwächer, je weiter sie sich vom Mittelpunkt entfernen.

100 Akustik Wie entsteht der Schall?

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Das Mikrofon Bei einem Mikrofon versetzen Schallwellen eine Membran in Schwingung.

Die Schwingungen werden in elektrische Signale umgewandelt.

Schall gibt es fast immer und überall. Du wirst kaum jemals völlige Stille erleben. Immer dann, wenn sich etwas bewegt, entstehen Schwingungen, die du als Geräusche, also als Schallwellen, wahrnimmst.

Wenn du z. B. in die Hände klatscht, schwingt die Haut auf deinen Handflächen. Wenn ein Buch zu Boden fällt, schwingen das Buch und der Boden.

Ein Teller, der hinunterfällt, wird ebenfalls in Schwingung versetzt. Oft sind dabei die Schwingungen so groß, dass der Teller zerbricht.

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Betrachte eine Situation aus deinem Alltag! Was für Geräusche hörst du? Was schwingt dabei und verursacht das Geräusch?

Auch aus einem Fernseher, einem Radio oder einem Handy kommen Geräusche. Diese werden in Lautsprechern erzeugt. Ein elektrisches Signal versetzt dabei die Membran des Lautsprechers in Schwingung.

Lautsprecher

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Schallausbreitung

Schall breitet sich nicht nur in der Luft aus. Auch in Flüssigkeiten wie Wasser oder in festen Körpern wird der Schall weitergeleitet. Das Prinzip ist jedoch dasselbe: Die Teilchen der Flüssigkeit oder des festen Körpers werden verdichtet und schwingen dabei hin und her.

Dosentelefon: Der Schall wird durch Schwingungen in einer Schnur übertragen.

Der Schall braucht ein Ausbreitungsmedium, also ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen festen Körper, in dem er sich ausbreiten kann. Im Vakuum, also im luftleeren Raum, kann er sich nicht ausbreiten. Dort gibt es daher keine Geräusche.

Der Schall und der menschliche Körper

Der Mensch benutzt den Schall, um mit anderen Menschen zu kommunizieren. Wir sprechen und wir hören anderen zu.

Wann funktioniert ein Dosentelefon nicht?

Die menschliche Sprache wird durch die Stimmbänder erzeugt. Diese befinden sich im Kehlkopf. Beim Atmen sind sie geöffnet und lassen die Luft ungehindert durch. Wenn wir sprechen, schließen sie sich bis auf einen schmalen Spalt und werden von der Luft aus der Lunge in Schwingung versetzt.

Medium: hier: fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff

Oly

Schall wird durch einen schwingenden Gegenstand erzeugt. Schallwellen sind eine Abfolge von verdichteter und verdünnter Luft. Der Schall breitet sich in der Luft, aber auch in Flüssigkeiten und festen Körpern aus.

Unsere Stimme wird durch die Stimmbänder erzeugt.

Das Trommelfell im Ohr nimmt Schallwellen auf. So hören wir.

Zusätzlich sind beim Sprechen auch noch der Rachen, die Zunge und die Lippen beteiligt. Mit ihnen erzeugen wir bestimmte Laute, formen Wörter und Sätze.

Die Schallwellen erreichen das Trommelfell in unserem Ohr und versetzen dieses in Schwingung. Die Schwingungen werden ins Innenohr übertragen und anschließend vom Gehirn verarbeitet. So hören wir.

Atmen

Stimmbänder Luftröhre

Sprechen Stimmbänder

Trommelfell

Akustik 101

21. AUS TÖNEN WIRD MUSIK Höre dir einmal ganz aufmerksam ein Musikstück an! Welche Töne kannst du unterscheiden, die gleichzeitig erklingen?

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In einem Orchester kommen viele Musikinstrumente gemeinsam zum Einsatz. Jedes davon klingt anders. Wenn z. B. ein Trompeter dieselbe Note spielt wie ein Geiger, dann klingen die beiden Instrumente völlig verschieden. die

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Wodurch unterscheiden sich Instrumente in ihrem Klang?

Der Klang, den ein Klavier erzeugt, wenn du eine bestimmte Taste anschlägst, besteht aus vielen verschiedenen Tönen. Jeder einzelne Ton hat eine bestimmte Frequenz.

Die Frequenz der Stimmgabel

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Eine Stimmgabel ist ein U-förmig gebogener Metallstab mit einem Griff. Schlägt man gegen die Stimmgabel, beginnt diese zu schwingen.

Die meisten Stimmgabeln schwingen in einer Sekunde 440-mal hin und her. Hält man die Stimmgabel direkt ans Ohr, hört man einen Ton. Die Frequenz eines Tones hängt davon ab, wie oft die Stimmgabel pro Sekunde schwingt. Der Ton, den eine Stimmgabel erzeugt, die 440-mal pro Sekunde schwingt, hat eine Frequenz von 440 Hertz (440 Hz).

Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde.

Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz).

Heinrich Hertz: Nach diesem deutschen Physiker wurde die Einheit der Frequenz benannt.

Warum 440 Hz? 440 Hz entspricht in der Musik dem „Kammerton A“.

Das ist der Ton, auf den alle Instrumente in einem Orchester abgestimmt werden.

Welche Frequenzen können wir hören?

Das menschliche Ohr kann Frequenzen von 16 Hz bis etwa 21 000 Hz (21 kHz) wahrnehmen. Diesen Bereich nennt man Hörbereich. Frequenzen, die unter 16 Hz liegen, bezeichnet man als Infraschall. Frequenzen über 21 kHz bezeichnet man als Ultraschall.

Tiere haben meist einen anderen Hörbereich als der Mensch (grüner Bereich).

Manche können wesentlich höhere Töne wahrnehmen (rot), andere auch tiefere (blau).

Hörbereiche in der Tierwelt (in Hz)

Hund Katze

45 – 60 000

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Maus

60 – 45 000

Fledermaus Elefant

1 000 – 70 000

Wie misst man die Frequenz?

Das Oszilloskop ist ein Messgerät, das Schwingungen sichtbar macht. Es stellt den Ton, den ein Mikrofon aufnimmt, auf einem Bildschirm dar. Je dichter die Wellen liegen, desto höher ist die Frequenz der Schwingung.

15 000 – 150 000

10 – 12 000

Delfin

Blauwal

10 – 30 000

Mensch

16 – 21 000

1 000 – 150 000

In der Luft, aber auch im Wasser, pflanzen sich tiefe Töne viel besser fort als hohe.

Daher verwenden Tiere, die über weite Entfernungen miteinander kommunizieren, oft Infraschall. Im Meer unterhalten sich Wale mit sehr tiefen Tönen, den Walgesängen. Diese sind über eine Distanz von bis zu 1 000 km zu hören. Wale verwenden ihre Gesänge, um ihr Revier abzugrenzen und um gemeinsam zu jagen.

Distanz: Entfernung

102 Akustik Die Ausrichtung des Schalls

Bastelt aus Papier einen Schalltrichter! Vergleicht, wie ihr einen Mitschüler oder eine Mitschülerin mit und ohne Schalltrichter hört!

Schall breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen aus. Oft möchte man jedoch, dass sich der Schall nur in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Dazu verwendet man einen Schalltrichter, der den Schall so bündelt, dass er nur aus der Öffnung des Trichters austritt. Durch den Schalltrichter wird ein Geräusch nicht lauter. Da der Schall sich jedoch nur in eine bestimmte Richtung fortpflanzt, erscheint er dort lauter. Aus anderen Richtungen ist er aber kaum zu hören.

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bündeln: zusammenbinden, zusammenfassen

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Wie kann der Schall verstärkt werden?

Eine schwingende Stimmgabel ist nur dann deutlich zu hören, wenn du sie nahe ans Ohr hältst. Wenn die Stimmgabel aber gegen einen hohlen Gegenstand gedrückt wird, dann ist der Ton der Stimmgabel viel lauter zu hören.

Dies kommt daher, weil die Schwingungen der Stimmgabel auf den Hohlraum übertragen werden, sodass dieser ebenfalls zu schwingen beginnt. Diese Schwingungen versetzen auch die Luft im Hohlraum in Schwingung. Wir hören den Ton, der dabei erzeugt wird.

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Grammophon: Früher verwendete man Schalltrichter, um den Klang einer Tonaufzeichnung in eine Richtung zu leiten.

Resonanz: Mitschwingen

Wenn ein Gegenstand durch einen anderen in Schwingung versetzt wird, spricht man von Resonanz. Hohlköper, die die Resonanz nutzen, um den Schall zu verstärken, heißen Resonatoren oder Resonanzkörper.

Versuch

Führt das Experiment „Das Hörrohr“ auf S. 138 durch!

Der Klang – ein Tongemisch

Nur sehr selten hört man einen einzelnen Ton. Meist schwingen bei der Schallerzeugung Töne mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig, man spricht dann von Klängen.

Auch ein Musikinstrument gibt nicht nur einen Ton ab wie die Stimmgabel. Jedes Instrument besteht aus verschiedenen Teilen, die alle unterschiedlich schwingen.

Außerdem werden verschiedene Methoden angewandt, um den Ton zu erzeugen.

Ein Zuhörer nimmt alle Töne gleichzeitig wahr. Daher klingt jedes Instrument anders.

Wie werden in Musikinstrumenten Töne erzeugt?

Musikinstrumente werden danach eingeteilt, wie die Töne erzeugt werden: ƒ Selbstklinger: Der Ton wird erzeugt, indem das ganze Instrument angeschlagen wird und schwingt. ƒ Membraninstrumente: Eine Membran wird angeschlagen. Diese wird dadurch in Schwingung versetzt. ƒ Saiteninstrumente: Dabei wird eine Saite, eine gespannte Schnur, auf verschiedene Arten in Schwingung versetzt. ƒ Holzblasinstrumente: Nicht alle Holzblasinstrumente sind aus Holz. Der Musiker bläst dabei die Luft über eine Kante oder auf ein Rohrblatt. Dadurch wird die Luft in Schwingung versetzt. ƒ Blechblasinstrumente: Auch diese sind nicht unbedingt aus Metall. Die Töne werden durch die schwingenden Lippen des Musikers erzeugt. ƒ Elektronische Instrumente: Die Schwingung wird auf elektronische Weise wie in einem Lautsprecher hervorgerufen.

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Darstellung eines einzelnen Tones (einer Schwingung)

Darstellung eines Klanges: Viele unterschiedliche Schwingungen liegen übereinander.

Rohrblatt: dünnes Blättchen, meist aus Schilfrohr

Akustik 103 Selbstklinger Tonhöhe: Frequenz eines Tones

Xylophon

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Diese Musikinstrumente geben einen Ton von sich, wenn sie angeschlagen werden.

Du kennst sicherlich den Triangel oder das Xylophon. Die Tonhöhe des Instrumentes kann nicht verändert werden. Sie hängt davon ab, wie es gebaut ist. Bei einem Xylophon benötigt man unterschiedlich lange Holzbrettchen, um verschiedene Töne spielen zu können.

Auch die Glocke ist ein Selbstklinger.

Membraninstrumente

Triangel

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Beim Tamburin schlägt man mit der Hand auf eine gespannte Folie, die Membran. Diese wird dadurch in Schwingung versetzt.

Andere Membraninstrumente haben zusätzlich einen Resonanzkörper, Kesselpauke der den Schall verstärkt. Diese Instrumente werden auch als Trommeln bezeichnet. Wie bei den Selbstklingern kann man die Tonhöhe nicht verändern. Die Größe des Instruments und die Spannung der Membran bestimmen die Tonhöhe. Nur bei der Kesselpauke kann der Spieler mit einem Pedal während des Spielens die Spannung der Membran verändern.

Damit ändert er auch die Tonhöhe seines Instruments.

Tamburin

Saiteninstrumente

Bei allen Saiteninstrumenten werden die Töne durch eine gespannte Saite hervorgerufen. Diese wird in Schwingung versetzt und überträgt diese Schwingung auf einen Resonanzkörper. Bei der Gitarre wird mit den Fingern an der Saite gezogen. Beim Loslassen schwingt sie.

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Die Streichinstrumente wie die Geige gehören ebenfalls zu den Gitarrenspieler Saiteninstrumenten. Bei Ihnen wird die Saite mit Hilfe eines Bogens in Bewegung versetzt. Dieser ist mit Pferdehaaren bespannt. Beim Darüberstreichen bleibt die Saite für kurze Zeit hängen. Sobald sie die Haftreibung überwunden hat, springt sie zurück und schwingt.

Verschiedene Trommeln eines Schlagzeugs Pedal: Hebel, der mit dem Fuß betätigt wird

Wie klingen Saiten?

Die Tonhöhe einer Seite hängt von ihrer Länge, ihrer Dicke, ihrer Spannung und vom Material ab, aus dem sie besteht.

Versucht, eine gespannte Schnur zum Klingen zu bringen! Ändert dann die Spannung und die Länge! Wie verändert sich die Tonhöhe?

Andere Saiteninstrumente wie das Klavier verwenden kleine Hämmerchen, mit denen auf die Saiten geschlagen wird.

Geigenspielerin

Klavierspielerin

Hämmerchen eines Klaviers: Die Saiten werden von unten angeschlagen.

104 Akustik Holzblasinstrumente Sicherlich kennst du die Blockflöte. Im Mundstück der Blockflöte befindet sich ein schmaler Spalt. Beim Hineinblasen beginnt die Luft in diesem Spalt zu schwingen.

Die Flöte bildet ein hohles Rohr, in dem dann die Luftsäule ebenfalls schwingt. Ins Rohr sind mehrere Löcher gebohrt. Je nachdem, welche Löcher man mit den Fingern abdeckt, verändert sich die Länge der Luftsäule und damit die Tonhöhe.

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Luftsäule: Luftmenge in einem Instrument, die zur Bildung des Tones beiträgt

Nimm eine Glasflasche, halte sie an deinen Mund und blase fest über die Öffnung! Die Luft in der Flasche schwingt und gibt einen Ton von sich. Dasselbe Prinzip nutzt man bei der Querflöte.

Blockflötenspieler

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Querschnitt durch eine Blockflöte mit dem Luftspalt

Querflötenspielerin

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Am Mundstück einer Klarinette oder eines Saxophons ist ein dünnes Plättchen angebracht.

Dieses wird beim Blasen zum Schwingen gebracht. Diese Instrumente sind wesentlich größer als die Blockflöte. Daher können die Löcher nicht mehr mit den Fingern abgedeckt werden.

An ihrer Stelle verwendet man Klappen, die über Hebel bedient werden.

Panflöte: Die Panflöte wird wie die Querflöte gespielt. Sie besteht aus mehreren Rohren, die unterschiedlich lang sind und daher unterschiedliche Töne erzeugen.

Füllt eine Glasflasche mit Wasser und versucht, sie wie eine Panflöte zu spielen! Wie verändert sich die Tonhöhe, wenn sich die Wassermenge in der Flasche verändert?

Saxophonist

Das Besondere an Blechblasinstrumenten ist, dass die Lippen des Musikers oder der Musikerin zu einem Bestandteil des Instruments werden. Der Musiker oder die Musikerin presst die Lippen gegen das Mundstück. Beim Blasen schwingen die Lippen und erzeugen den Ton. Das Instrument verstärkt ihn.

Trompetenspieler

Mundstücke für Blechblasinstrumente

Die Form und die Länge des Instruments legen fest, welcher der tiefste Ton ist, der gespielt werden kann. Mit den Lippen kann der Spieler oder die Spielerin einige höhere Töne erzeugen. Allerdings können mit einem Blechblasinstrument nicht sämtliche Töne einer Tonleiter gespielt werden.

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Ein Ton ist eine Schwingung der Luft mit einer bestimmten Frequenz. Diese wird in Hertz (Hz) angegeben.

Klänge bestehen aus einem Gemisch mehrerer Töne.

Die Richtung des Schalls kann mit einem Trichter beeinflusst werden. Der Schall kann mit einem Resonanzkörper verstärkt werden.

Blechblasinstrumente

Um alle Töne der Tonleiter spielen zu können, muss die Länge des Instruments verändert werden. Bei einer Trompete werden dazu Ventile verwendet, mit denen zusätzliche Rohre die Luftsäule verlängern. Die Posaune besitzt ein langes Rohr, das herausgezogen werden kann. Auch so wird die Länge der Luftsäule verändert.

Trompete mit Ventilen

Posaunenspielerin

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Akustik 105

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1. Bei diesem Instrument wird durch Auseinanderziehen und Zusammendrücken ein Luftstrom erzeugt. Dieser versetzt Metallblättchen in Schwingung.

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1) Welches Instrument ist das? – Ordne die Zahlen den Instrumenten richtig zu! %%%

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2. Er ist das größte Streichinstrument und erzeugt die tiefsten Töne. Er wird oft wie eine Gitarre gespielt.

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M

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3. Im Inneren dieses Musikinstruments

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befinden sich Metallblättchen, die zu schwingen beginnen, wenn man darauf bläst.

4. Dieses Instrument ist ein hohler

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K as t ag

K on tr a

Holzstab. Beim Hineinblasen werden die Lippen in Schwingung gesetzt.

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5. Sie besteht aus vielen Saiten, die an

6. Sie werden beim Tanzen aneinander-

einem Holzrahmen gespannt sind. Jede Saite erzeugt einen eigenen Ton.

geschlagen. Die beiden Schalen aus Holz erzeugen dabei Töne.

Harfe

2) Ultra- oder Infraschall? – Kreuze das Richtige an, dann erhältst du ein Lösungswort! %%

Das Geräusch, das eine Hundepfeife macht, kann der Mensch nicht wahrnehmen. Hunde können es aber hören und reagieren darauf.

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Wale stoßen sehr tiefe Töne aus, mit denen sie sich unter Wasser mit anderen Walen über große Entfernungen unterhalten.

Beim Fliegen in der Dunkelheit stoßen Fledermäuse extrem hohe Töne aus. Für den Menschen sind diese aber nicht hörbar.

Schallsignale mit sehr hoher Frequenz können dazu verwendet werden, um Bilder aus dem Inneren deines Körpers zu erzeugen.

Auch bei einem Erdbeben entstehen Töne. Diese sind jedoch so tief, dass sie für uns nicht hörbar sind.

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LÖSUNGSWORT:

Infraschall

Ultraschall

•

H

A

G

E

R

L

T

U

F

Z

•

•

•

•

106 Akustik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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senkrecht: 1. Gerät zum Musizieren 2. Gerät, das Schwingungen sichtbar macht 5. verlängert die Luftsäule durch ein zusätzliches Rohr 6. dünne Haut 7. schwingende Luft

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waagrecht: 3. Schwingungen pro Sekunde 4. Diese Töne können wir hören.

6. Mit ihm wird Luft in ein Instrument geblasen.

8. Gemisch von Tönen 9. Einheit der Frequenz 10. U-förmig gebogener Metallstab 11. Mitschwingen

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3) Akustik-Kreuzworträtsel – Beantworte die Fragen und trage die Lösungswörter richtig in das Rätsel ein! %%%

Ziehharmonika © Gitarre © Bremstrommel © Sektflöte © Triangel © Kontrabass © Posaune © Querflöte © Wasserpfeife © Didgeridoo © Kesselpauke © Panflöte © Nashorn © Xylophon © Klavier © Mundharmonika © Blockflöte © Kastagnetten

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4) Instrumente oder auch nicht – Welcher dieser Gegenstände ist kein Musikinstrument? Streiche die falschen Wörter durch! %%

Akustik 107

22. DIE PHYSIK DES SCHALLS Donnergrollen: bedrohliche Geräusche eines Gewitters aus großer Entfernung

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Mara unternimmt mit ihrer Klasse eine Wanderung.

Plötzlich ziehen dunkle Wolken auf und bald darauf sehen sie die ersten Blitze. Einige Sekunden später hören sie dumpfes Donnergrollen. „Das Gewitter ist noch 3 km entfernt“, meint Maras Lehrerin. Mara wundert sich, woher die Lehrerin das weiß. „Nachdem ich den Blitz gesehen habe, habe ich zu zählen begonnen. Als ich dann den Donner gehört habe, habe ich die Zahl, bis zu der ich gekommen bin, durch 3 geteilt. Das ist die Entfernung des Blitzes in km.“

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Wo könnt ihr im täglichen Leben noch beobachten, dass der Schall einige Zeit braucht, bis er bei euch ist? Findet Beispiele!

Wie kommt Maras Lehrerin auf diese Rechnung?

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Wirf einen Stein in ruhiges Wasser und beobachte, was geschieht! Dort, wo der Stein ins Wasser gefallen ist, entsteht eine kreisförmige Welle, die sich langsam nach allen Seiten ausbreitet. Auch der Schall ist eine Welle, allerdings breitet sich diese in der Luft aus. Bei einem Blitz entsteht eine Schallwelle, die sich kreisförmig ausbreitet. Sie benötigt einige Zeit, bis sie Mara und ihre Klasse erreicht.

Die Mach-Zahl Die Einheit „Mach“ als Geschwindigkeitsangabe von sehr schnellen Körpern wird nach dem österreichischen Physiker Ernst Mach benannt.

Wie schnell ist die Schallwelle?

Der Schall legt in der Luft in einer Sekunde eine Entfernung von 343 m zurück. Für 1 km braucht er etwa 3 Sekunden. Daher muss Maras Lehrerin die Zahl der Sekunden, die sie gezählt hat, durch 3 teilen.

Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 343 m/s oder 1 235 km/h.

Die Geschwindigkeit von sehr schnellen Körpern wie Flugzeugen wird sehr oft nicht in km/h oder m/s angegeben sondern im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit.

Dafür gibt es eine eigene Einheit. Ein Flugzeug, das genauso schnell wie der Schall fliegt, hat die Geschwindigkeit von „Mach 1“. Ist es doppelt so schnell wie der Schall, dann hat es „Mach 2“.

Schallmauer

Die Schallmauer

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Die Schallgeschwindigkeit ist für die meisten Flugzeuge eine Grenze, die sie nicht überschreiten können. Auch das Flugzeug erzeugt Schallwellen. Da sich das Flugzeug sehr schnell bewegt, schiebt es die Wellen vor sich her. Bei Schallgeschwindigkeit bilden alle Schallwellen vor dem Flugzeug eine Wand: Die Schallmauer.

Concorde

Um diese Schallmauer durchstoßen zu können, müssen die Spitze und die Flügel eines Flugzeugs eine besondere Form haben. Die meisten Passagierflugzeuge sind für den Unterschallbereich gebaut. Die Concorde jedoch war ein Überschallflugzeug und konnte die Schallmauer durchbrechen.

Die Concorde Dieses Überschallflugzeug wurde von britischen und französischen Flugzeugbauern gemeinsam entwickelt. Es wurde von 1976 bis 2003 vor allem zwischen Europa und den USA als Passagierflugzeug eingesetzt. Die Flugzeit von London nach New York war mit 3 Stunden nur etwa halb so lang wie mit anderen Flugzeugen. Nachdem im Jahr 2000 eine Concorde in der Nähe von Paris abgestürzt war, wurde 2003 der Flugbetrieb eingestellt.

Unterschall: langsamer als der Schall Überschall: schneller als der Schall

108 Akustik Die Schallwelle – eine besondere Welle maximal: so groß wie möglich

Luft, in der sich kein Schall ausbreitet, hat eine gleichmäßige Dichte. Sobald sich eine Schallwelle bildet, wird die Luft abwechselnd verdichtet und verdünnt.

verdichtet

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minimal: so klein wie möglich

Die Abfolge von dichterer und dünnerer Luft ist gleichmäßig. Beim Eintreffen einer Schallwelle Verdichtete und verdünnte Luft einer nimmt zunächst die Dichte der Luft zu. Sie Schallwelle erreicht einen Maximalwert. Dann nimmt sie wieder ab. Anschließend wird die Dichte der Luft geringer. Nach ihrem Minimalwert nimmt sie wieder zu, bis die Dichte der Luft den Normalwert erreicht hat. Den Abschnitt einer Schallwelle vom Normalwert über den Maximal- und den Minimalwert, bis die Dichte wieder den Normalwert erreicht hat, nennt man eine Schwingungsphase.

Schwingendes Pendel

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verdünnt

Das schwingende Pendel

Auch ein Pendel führt eine Schwingung aus, die ähnlich wie eine Schallwelle ist. Wenn das Pendel sich nicht bewegt und senkrecht nach unten hängt, entspricht das dem normalen P minimal 2 Luftdruck (1). Wird das Pendel nach einer Seite 3 P maximal ausgelenkt (2), entspricht das dem maximalen Luftdruck. Wird es losgelassen, so beginnt es zu 1 schwingen. Es fällt nach unten, erreicht die senkrechte Lage und schwingt dann in die P normal andere Richtung (3). Das entspricht dem Minimalwert des Luftdrucks. Eine volle Schwingung – von der maximalen Auslenkung auf einer Seite bis zur maximalen Auslenkung auf der anderen Seite und zurück – nennt man eine Schwingungsphase.

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regelmäßige Schwingungen Viele Ereignisse, die sich regelmäßig wiederholen, laufen ähnlich ab, wie die Schwingungen eines Pendels. Beispiele für solche regelmäßig ablaufenden Ereignisse sind die Jahreszeiten oder die Mondphasen. Aber auch der Herzschlag zählt dazu.

Frequenz und Amplitude einer Schwingung

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Die Jahreszeiten auf der Erde

Mondphasen

Darstellung des Herzschlags

Wie schnell ein Pendel hin- und herschwingt, hängt von der Länge des Fadens ab. Pendel mit kurzem Faden schwingen rascher als solche mit einem langen Faden. Die Zeit, die das Pendel benötigt, um eine volle Schwingungsphase zu durchlaufen, ist umso kürzer, je kürzer der Faden ist. Ein kurzes Pendel kann also in der gleichen Zeit mehr volle Schwingungen durchführen als ein langes. Die Frequenz der Schwingung ist daher größer.

Ein Pendel, das nur ganz wenig aus der senkrechten Lage ausgelenkt wird, benötigt für eine volle Schwingung genauso lang, wie wenn dasselbe Pendel sehr weit ausgelenkt wird. Die Schwingungsfrequenz eines Pendels hängt also nicht davon ab, wie weit es ausgelenkt wird.

Die Stärke der Auslenkung ist die Amplitude. Je größer die Amplitude ist, desto mehr Energie steckt in einem schwingenden Pendel.

Akustik 109 Tonhöhe und Lautstärke

Wie misst man die Lautstärke?

Tiefer Ton

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Hoher Ton

Die Lautstärke einer Schallwelle hängt von der Amplitude ab. Je lauter ein Ton ist, desto größer ist seine Schwingungsamplitude. Bei einem lauten Ton sind die Druckunterschiede in der Luft größer als bei einem leisen Ton.

Woher stammt die Einheit Dezibel (dB)?

Die Einheit für die Lautstärke wird nach Alexander Graham Bell benannt. Dieser entwickelte eines der ersten Telefone und trug dazu bei, dass sich das Telefon weltweit verbreiten konnte.

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Wie du bereits weißt, enspricht die Schwingungsfrequenz einer Schallwelle der Tonhöhe. Je höher ein Ton ist, desto rascher folgen die einzelnen Schwingungsphasen aufeinander.

Lauter Ton

Leiser Ton

Die Lautstärke eines Tones wird über die Amplitude der Schallwelle gemessen, also über den Druckunterschied in der Luft.

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Die Hörschwelle gibt die Lautstärke an, die ein normal hörender Mensch gerade noch wahrnehmen kann. Der Druckunterschied, den ein sehr lautes Geräusch wie etwa die Musik in einer Diskothek hervorruft, ist ungefähr 100 000 mal so groß wie der eines gerade noch hörbaren Geräusches. Da so große Zahlen zum Angeben der Lautstärke unpraktisch sind, wird die Lautstärke in Dezibel (dB) angegeben. Die Lautstärke in einer Diskothek hat etwa 100 dB. Bei der Angabe in dB wird verglichen, wie viel höher der Druckunterschied der Amplitude im Vergleich zur Hörschwelle ist.

Schwelle: Grenze, Abtrennung

Die Lautstärke wird in Dezibel (dB) gemessen.

Die Lautstärke wird mit einem Messgerät gemessen, das durch ein Mikrofon die Geräusche aufnimmt. Es rechnet die Lautstärke in dB um und gibt diese Zahl auf einer Anzeige wieder.

Lautstärke einiger Schallquellen in dB

dB 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Oly

Schallquelle Gewehrschuss direkt beim Ohr Düsenflugzeug Rockkonzert Presslufthammer Lastkraftwagen Lauter Verkehrslärm Schreien Lautes Sprechen Normales Sprechen Leise Musik Flüstern Sehr ruhiges Zimmer Ruhiges Atmen Hörschwelle

Wahrnehmung der Schallquelle Schmerzgrenze schmerzhaft sehr laut, unangenehm laut

Lautstärkemessgerät

Schallquelle: Ort, von dem der Schall ausgeht

Sprecht in der Klasse darüber, ab wann für euch die Lautstärke von Geräuschen unangenehm ist!

normale Lautstärke

sehr leise

gerade noch hörbar

Sehr laute Geräusche können auch schmerzhaft sein. Da die Lautstärke einer Schallquelle sehr stark von der Entfernung abhängt, wird ein Geräusch sehr rasch leiser, wenn du dich ein Stück davon entfernst.

Lautstärke und Frequenz Ob wir ein Geräusch als laut empfinden, hängt auch von seiner Tonhöhe ab. Sehr hohe und sehr tiefe Frequenzen werden als leiser wahrgenommen als mittlere Frequenzen.

110 Akustik Eigenfrequenz und Resonanz

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Jeder Körper hat eine bestimmte Frequenz, mit der er schwingt, wenn man ihn anschlägt. So hat eine Stimmgabel die Frequenz von 440 Hz. Diese Frequenz nennt man Eigenfrequenz.

Trifft eine Schallwelle mit dieser Frequenz auf eine Stimmgabel, die nicht schwingt, so wird diese durch die Schallwelle in Schwingung versetzt. Immer dann, wenn ein Körper durch eine Schallwelle mit seiner Eigenfrequenz angeregt wird, spricht man von Resonanz.

Manchen Opernsängern gelingt es, nur mit ihrer Stimme ein Glas zum Zerbrechen zu bringen. Sie müssen dazu einen Ton in genau der Höhe singen, mit der das Glas schwingt. Diesen Ton müssen sie aber sehr lange in genau der gleichen Höhe aushalten.

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Die Resonanzkatastrophe der Tacoma Narrows Bridge Im Jahr 1940 wurde eine der damals längsten Hängebrücken der Welt das Opfer einer Resonanzkatastrophe.

Wenige Monate nach ihrer Fertigstellung wurde die Brücke durch einen Sturm dazu angeregt, mit ihrer Eigenfrequenz zu schwingen. Nach nur 45 min, in denen sie um viele Meter auf und ab schwang, zerriss sie und stürzte ein.

Ein Metronom ist ein Gerät, das beim Musizieren den Takt angibt. Ein Pendel schwingt hin und her und gibt bei jeder Schwingung ein lautes Geräusch von sich. Der Musiker oder die Musikerin kann die Frequenz des Metronoms einstellen.

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Sucht im Internet mit dem Begriff „Tacoma Narrows Bridge“ nach Filmaufnahmen dieser Katastrophe! anregen: hier: in Schwingung versetzen

synchronisieren: zeitlich aufeinander abstimmen

Opernsänger

Metronom

Zwei Metronome stehen nebeneinander. Beide schwingen mit derselben Frequenz, allerdings geben sie nicht gleichzeitig ihr Geräusch von sich. Nach einiger Zeit nähern sich ihre Schallsignale einander an, bis sie schließlich gleichzeitig ihre Signale geben.

Durch die Schallübertragung zwischen ihnen wird das eine etwas abgebremst und das andere beschleunigt, bis ihre Schwingungen synchronisiert sind.

Schallausbreitung, diesmal nicht in Luft Schall kann sich in jeder Substanz, die schwingen kann, ausbreiten. Die Schallgeschwindigkeit ist aber in jeder Substanz eine andere.

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Verschiedene Schallgeschwindigkeiten (in m/s) Luft 343 Helium 981 Sauerstoff 316 Wasser 1 484 Öl 1 340 Alkohol 1 168 Eis 3 250 Beton 3 800 Eisen 5 170 Gummi 150 Buchenholz 3 300 Glas 5 500 Diamant 18 000

Auch unter Wasser kann man hören. Achte das nächste Mal darauf, wenn du ins Schwimmbad gehst!

Wenn man sein Ohr an die Wand legt, kann man manchmal hören, was im Nebenraum gesprochen wird.

Die Schallwellen der Unterhaltung im Nebenraum bringen die Wand zum Schwingen und leiten die Geräusche an dein Ohr weiter.

Auch Flüssigkeiten wie das Wasser leiten den Schall. Wie du schon gehört hast, kommunizieren Wale im Wasser über große Distanzen.

Andere Gase als Luft leiten ebenfalls den Schall, allerdings mit einer anderen Geschwindigkeit. Wenn du das Gas eines Heliumballons einatmest und danach sprichst, klingt deine Stimme wie die von Micky Maus.

Die Ursache liegt darin, dass sich die Töne deiner Stimme im Helium viel rascher ausbreiten als in Luft.

Akustik 111 Reflexion des Schalls

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Tiere wie die Fledermaus sind nachtaktiv. Sie jagen in der Nacht ihre Beute und fangen fliegende Insekten im Flug.

Doch wie gelingt es ihnen, ihre Beute in der Finsternis zu finden?

reflektieren: zurückwerfen, zurückstrahlen orten: Position feststellen Wieso kann die Fledermaus aus dem Zeitunterschied zwischen Schrei und reflektiertem Schrei die Entfernung ermitteln?

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Im Flug stößt die Fledermaus ständig Schreie aus.

Die Frequenz dieser Schreie ist so hoch, dass wir sie nicht hören können. Die Fledermaus schreit im Ultraschallbereich. Wenn die Schallwellen auf ein Hindernis treffen, werden sie reflektiert.

Die Fledermaus hört die reflektierten Schallwellen und kann so orten, wo sich ein Hindernis oder ein Beutetier befindet. Sie kann auch feststellen, wie lange es gedauert hat, bis der reflektierte Schrei wieder zurückkommt. Daher weiß sie, wie weit das Hindernis entfernt ist.

Auch du kannst reflektierte Schallwellen hören. Wenn du in einem großen leeren Raum laut sprichst, hörst du den Nachhall deiner eigenen Stimme. Wenn du im Gebirge laut rufst, hörst du den Ruf kurz darauf als Echo noch einmal, manchmal sogar öfter.

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Nachhall: Nachklingen, Echo

Immer, wenn die Schallwellen deines Rufes auf ein festes Hindernis wie einen Berg treffen, werden sie reflektiert. Je weiter das Hindernis entfernt ist, desto länger braucht der Schall, bis er wieder zu dir zurückkommt. Im Gebirge kann das einige Sekunden dauern. Daher kannst du ganze Worte oder Sätze als Echo hören.

Rufe im Gebirge

Der Dopplereffekt

Auf der Fahrt in den Schikurs macht Ricardos Klasse eine kurze Pause auf einem Rastplatz. Er beobachtet die vorbeifahrenden Fahrzeuge. Dabei fällt ihm auf, dass sich das Geräusch, das die Fahrzeuge verursachen, beim Vorbeifahren verändert. Wenn ein Fahrzeug auf ihn zukommt, ist der Ton höher, als wenn es sich entfernt.

Christian Doppler Der österreichische Physiker und Mathematiker Christian Doppler wurde 1803 in Salzburg geboren. Er beschäftigte sich vor allem mit der Ausbreitung von Lichtwellen. Er starb 1853 in Venedig (Italien).

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Was ist die Ursache für diese Tonänderung?

Das Fahrzeug ist eine Schallquelle. Wenn sie sich auf Ricardo zubewegt, werden die Wellen vor dem Fahrzeug zusammengedrängt – die Tonfrequenz ist größer und der Ton daher höher. Beim Wegbewegen werden die Wellen auseinandergezogen und die Frequenz ist geringer, der Ton daher tiefer. Diese Änderung der Tonhöhe einer bewegten Schallquelle nennt man nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler den Dopplereffekt.

Die Wasserwellen vor einem schwimmenden Schwan zeigen, wie der Dopplereffekt aussieht.

112 Akustik

Lärmpegel: Lautstärke des Lärms Anrainer/Anrainerin: Person, die in der Nähe wohnt

Lärm ist störend Geräusche sind überall. Leute sprechen, Autos fahren auf der Straße, irgendwo ist ein Fernseher eingeschalten und Kinder spielen im Park. All diese Geräusche erzeugen einen Hintergrundlärm. Meist nimmst du ihn gar nicht wahr. Erst wenn ein gewisser Lärmpegel überschritten wird, werden Geräusche als unangenehm und störend empfunden.

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Hintergrundlärm: Lärm, den wir nicht bewusst hören

Wenn du dich konzentrieren musst, bist du besonders emfindlich für Lärm. Beim Schreiben einer Schularbeit oder beim Hausübungmachen brauchst du Ruhe.

Lärm durch Infraschall Töne, die unterhalb unseres Hörbereichs liegen, sind für uns nicht hörbar. Dennoch kann sie unser Körper wahrnehmen. Sie können genauso wie normaler Lärm zu Unwohlsein, unruhigem Schlaf und Konzentrationsstörungen führen.

Bei manchen Musikinstrumenten wie der Kirchenorgel werden absichtlich extrem tiefe Töne verwendet. Wir hören diese Töne nicht, können sie aber spüren. Dadurch tragen sie zum Musikerlebnis bei.

Eine Lärmampel zeigt an, wie hoch der Lärmpegel in einem Raum ist. Solange es leise ist, leuchtet sie grün. Wird es lauter, wechselt sie zuerst zu gelb, dann zu rot. So kann sie helfen, dass es bei Gruppenarbeiten und beim offenen Lernen nicht zu laut wird.

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Schalldämmung: Maßnahme, die die Lautstärke von Schall verringert

Lärm ist ungesund

Lärmschutzwand

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Im Unterricht ist ein zu hoher Lärmpegel störend.

Ist eine Person aber ständig einem sehr hohen Lärmpegel ausgesetzt, dann kann das auch für die Gesundheit schädlich sein. Menschen, die in der Nähe von Autobahnen oder Flugplätzen wohnen, klagen über Kopfschmerzen sowie Schlaf- und Konzentrationsstörungen.

Um die Anrainer und Anrainerinnen vor Lärm zu schützen, werden oft Lärmschutzwände entlang von Autobahnen errichtet. Die Lautstärke des Straßenverkehrs hängt stark von der Geschwindigkeit der Fahrzeuge ab. Daher findet man in der Nähe von Wohngebieten häufig Geschwindigkeitsbeschränkungen. Auch mit Schallschutzfenstern kann der Lärm in der Wohnung gesenkt werden.

Lärm ist schädlich

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Der Schall breitet sich in der Luft als Welle kreisförmig mit einer Geschwindigkeit von 343 m/s aus. Die Tonhöhe wird von der Frequenz bestimmt, die Lautstärke von der Amplitude. Die Lautstärke wird in Dezibel (dB) gemessen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls hängt von der Substanz ab.

Schallwellen können reflektiert werden.

ACHTUNG: Lärm kann gesundheitsschädlich sein.

Wie du schon gehört hast, können sehr laute Geräusche auch schmerzhaft sein. Sie können aber auch zu bleibenden Schäden im Ohr führen. Dabei hängt es davon ab, wie lange man dem Lärm ausgesetzt ist. Laute Musik, vor allem mit Kopfhörern, oder der Lärm von Maschinen ist auf Dauer schädlich. Extrem laute Geräusche wie der Knall eines Schusses können das Ohr sofort schädigen.

Kopfhörer

Für Arbeiter und Arbeiterinnen, deren Arbeitsplatz besonders laut ist, ist es gesetzlich vorgeschrieben, dass sie einen Gehörschutz tragen. Besonders laute Geräte sind mit einer Schalldämmung ausgestattet. So wird bereits am Gerät verhindert, dass zu viel Lärm entsteht.

Auch der Lärm von Automotoren muss gedämmt werden. Der Auspuff dient dazu, den Lärmpegel zu senken.

Arbeiter mit Gehörschutz

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Akustik 113

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Echo – Lies den folgenden Text aufmerksam durch! Dann beschrifte die Bilder! %%

Ein Echo entsteht dann, wenn Schallwellen reflektiert werden und zum Ausgangspunkt zurückkehren. Aus der Zeit, die zwischen dem Aussenden der Schallwelle und dem Empfangen der reflektierten Welle vergeht, kann man feststellen, wie weit das Hindernis entfernt ist, das den Schall reflektiert hat. Auf Schiffen wird das Echolot verwendet, um die Wassertiefe festzustellen.

Am Boden des Schiffes wird dabei ein Schallsignal ausgesandt, das am Meeresgrund reflektiert wird. Je tiefer das Wasser ist, desto länger dauert es, bis der Schall wieder beim Schiff eintrifft.

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U-Boote senden ebenfalls Schallsignale aus. Dabei wird nicht nur die Zeit gemessen, bis das Signal zurückkommt, sondern auch die Richtung, aus der es eintrifft. So kann festgestellt werden, wo sich Hindernisse unter Wasser befinden. Diese Methode zur Ortung von Hindernissen nennt man Sonar.

Oft wird eine Schallwelle aber nicht vollständig reflektiert. Wenn die Schallwellen eines Erdbebens oder einer Explosion im Boden auf die Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Gesteinsschichten treffen, wird ein Teil reflektiert, während ein Teil der Schallwellen hindurchgeht. Auf diese Weise untersucht die Geoseismik den Aufbau der Gesteinsschichten.

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Ähnlich funktioniert die Sonographie. Ultraschallsignale werden von der Haut ins Innere des menschlichen Körpers gesandt.

Immer, wenn die Schallwellen auf Hindernisse treffen, wird ein Teil der Schallwellen reflektiert. So kann man Bilder aus dem Körperinneren erzeugen. Auf diese Weise kann man zum Beispiel ein ungeborenes Baby im Körper der Mutter beobachten.

Dieses Verfahren kennst du vielleicht auch unter dem Namen „Ultraschalluntersuchung“.

2) Echoquiz – Beantworte nun diese Fragen! %%%

A) Was ist die Ursache dafür, dass du ein Echo erst etwas später hörst?

Temperatur

Schallgeschwindigkeit

Schwerkraft

Geschwindigkeit und Ort

Zeit und Richtung

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B) Was wird beim Sonar gemessen?

Zeit und Wassertiefe

C) Was wird bei der Sonographie verwendet?

Ultraschall

Schalldämmung

Infraschall

D) Welches Gerät dient zur Messung der Wassertiefe?

Sonograph

Sonar

Echolot

E) Welches Prinzip nutzen alle beschriebenen Verfahren?

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Temperaturmessung

Schallreflexion

Trägheitssatz

114 Akustik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

3) Lautstärke – Welches Geräusch ist wie laut? Benutze die Tabelle auf S. 109 und schreibe die Lautstärke in dB zu den Bildern! %%

_____ dB

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_____ dB

_____ dB

mp eV

_____ dB

_____ dB

laut

laut

leise

tief

hoch

tief

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hoch

leise

laut

leise

laut

leise

hoch

tief

hoch

tief

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4) Laut oder leise, hoch oder tief? – Kreuze bei jedem Bild an, um welche Form von Ton es sich hier handelt! %%%

PHYSIK-LABOR: Akustik 115

Ziel des Experiments: Beobachte die Schallübertragung!

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Experiment 1: Schallübertragung in Luft Du brauchst: Glas * Luftballon * Gummiringe * Reiskörner * Trommel * Schere

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Ablauf: ƒ Zerschneide den Luftballon so, dass du ein großes Stück Gummihaut erhältst! ƒ Dann spanne die Gummihaut über das Glas und befestige sie mit den Gummiringen! ƒ Nun lege einige Reiskörner auf die Gummihaut! ƒ Schlage daneben auf die Trommel!

Beobachte, was mit den Reiskörnern geschieht!

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

mp eV

Experiment 2: Töne mit dem Lineal

Ziel des Experiments: Zeige, wie die Tonhöhe von der Länge des schwingenden Körpers abhängt!

Du brauchst: Kunststofflineal * Schraubzwinge * Tisch

Ablauf: ƒ Lege zuerst das Lineal an die Kante des Tisches und fixiere es an der Kante mit der Schraubzwinge! ƒ Biege das Lineal mit dem Finger ein wenig nach unten und lass es dann los! ƒ Wiederhole das Experiment mehrmals! Verändere dabei die Länge des Teils des Lineals, der über den Tisch hinausragt!

Beschreibe, wie sich die Tonhöhe bei den einzelnen Experimenten verändert!

Experiment 3: Töne aus der Flasche Ziel des Experiments: Spiele ein Lied mit Glasflaschen!

Oly

Du brauchst: mehrere Glasflaschen * Wasser

Ablauf: ƒ Erzeuge einen Ton, indem du mit dem Mund über die Öffnung der Flasche bläst! ƒ Fülle ein wenig Wasser in die Flasche, blase wieder über die Öffnung und beobachte, wie sich die Tonhöhe geändert hat! ƒ Fülle nun alle Flaschen unterschiedlich hoch mit Wasser und versuche, ein einfaches Lied zu spielen, indem du abwechselnd in die Flaschen bläst! Überlege: Warum ist die Tonhöhe von der Wassermenge in der Flasche abhängig?

116 PHYSIK-LABOR: Akustik Experiment 4: Das Dosentelefon Du brauchst: 2 leere Jogurtbecher * Schnur * 2 Nägel

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Ziel des Experiments: Übertrage deine Stimme über eine Schnur!

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Ablauf: ƒ Bohre mit einem Nagel Löcher in die Böden der Jogurtbecher! ƒ Fädle die Schnur durch beide Löcher und binde die Nägel an die Enden der Schnur! ƒ Unterhalte dich mit dem Dosentelefon mit einem Mitschüler/einer Mitschülerin! Dazu hält der/die eine einen Jogurtbecher an sein Ohr, während der/die andere in den anderen Becher spricht.

WICHTIG: Achte darauf, dass dabei die Schnur gespannt ist!

Warum muss beim Dosentelefon die Schnur gespannt sein?

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Experiment 5: Das Stethoskop

Ziel des Experiments: Höre den Herzschlag eines Mitschülers/einer Mitschülerin!

Ein Stethoskop ist ein Gerät, mit dem ein Arzt die Herztöne seines Patienten abhört.

Du brauchst: ein Stück Gartenschlauch * Trichter

Ablauf: ƒ Stecke den Trichter in ein Ende des Schlauches! ƒ Bitte einen Mitschüler/eine Mitschülerin, den Trichter an seine/ihre Brust zu halten! ƒ Halte das andere Ende des Schlauches an dein Ohr! Was hörst du?

Experiment 6: Lauschangriff

Ziel des Experiments: Höre ein Gespräch im Nebenraum ab!

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Du brauchst: ein Glas

Ablauf: ƒ Bitte zwei Mitschüler/Mitschülerinnen, sich im Nebenraum zu unterhalten! ƒ Halte die Öffnung des Glases an die Wand zum Nebenraum und drücke dein Ohr an den Boden des Glases! ƒ Du kannst jetzt zuhören, was deine Mitschüler/Mitschülerinnen im Nebenraum sprechen.

ACHTUNG: Die Wand darf nicht zu dick sein. Wenn du nichts hörst, probiere das Abhören an der Tür zum Nebenraum!

117

Moderne Seeräuber sind eine ständige Gefahr für friedliche Schiffe. Doch jetzt gibt es eine neue Möglichkeit, sich gegen Seeräuberüberfälle zu wehren: die Schallkanone. Diese gibt bei einer Frequenz von etwa 2 500 Hz Schallsignale mit einer Lautstärke von bis zu 150 dB ab – und zwar nur in eine Richtung. Der Schmerz in den Ohren vertreibt die Seeräuber, ohne sie zu verletzen.

Wirksames Mittel gegen Lärm

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Neue Waffe im Kampf gegen Seeräuber – die Schallkanone

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PHYSIK-NEWS: Akustik

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Womit bekämpft man Lärm am besten? Richtig! Mit Lärm! Genauer gesagt: Mit „Antilärm“ oder „Antischall“. Treffen nämlich zwei Schallwellen aufeinander, die zwar dieselbe Frequenz haben, deren Wellen aber genau entgegengesetzt sind, dann löschen sie einander aus.

Dieses Prinzip nutzt man in Ohrschützern, die eigentlich Kopfhörer sind. Ein kleines Mikrofon empfängt den Lärm. Die Schallwellen werden umgerechnet und genau entgegengesetzt wieder über die Lautsprecher des Kopfhörers abgegeben. Dadurch wird der Lärm einfach ausgelöscht.

Auch an besonders lauten Orten wie in Industrieanlagen verwendet man dieses Verfahren. So wird der Lärm von außen in kleinen Kabinen mit Lautsprechern ausgelöscht, sodass man sich dort ungestört unterhalten kann.

Lange, bevor man den Zug sieht, …

Schalltote Räume

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Bei Aufnahmen in einem Tonstudio ist es sehr störend, wenn die Töne, die die Musiker erzeugen, an den Wänden reflektiert werden. Auf der Aufnahme sind diese reflektierten Schallwellen als Echo zu hören. In „Schalltoten Räumen“ wird die Entstehung dieses Echos verhindert. Die Wände und die Decke dieser Räume sind mit Zacken bedeckt. Zwischen diesen Zacken werden die Schallwellen hin und her reflektiert. Außerdem bewirkt das Material, aus dem die Zacken bestehen, dass die Schallwellen vernichtet werden.

Ihre Energie wird dabei in Wärme umgewandelt. Die Musik in so einem „Schalltoten Raum“ hört sich an, als würden die Musiker im Freien spielen.

kann man ihn hören. Zumindest, wenn man sein Ohr auf die Schiene legt.

Die Räder des Zuges bringen nämlich die Schiene zum Schwingen. Im Metall der Schiene werden diese Schwingungen wesentlich schneller und weiter geleitet, als die Geräusche des Zuges selbst an der Luft.

Hast du das gewusst? ƒ Männer haben längere Stimmbänder als Frauen.

Daher ist die Stimme eines Mannes meist tiefer als die einer Frau. ƒ Bei Kindern sind die Stimmbänder von Mädchen und Buben noch gleich lang. ƒ In der Pubertät wächst der Kehlkopf von Buben besonders stark. Der Körper muss sich erst noch an die längeren Stimmbänder gewöhnen. Daher kommt es manchmal dazu, dass die Stimme von Buben in der Pubertät plötzlich von „tief“ zu „hoch“ umkippt. Das nennt man „Stimmbruch“.

118

PHYSIK-NEWS: Akustik

1877:

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Delfine unterhalten sich unter Wasser durch Pfiffe.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen konnten rund 6 000 unterschiedliche Pfiffe unterscheiden, mit denen sich die Tiere etwa bei der gemeinsamen Jagd verständigen.

Delfine sind – abgesehen vom Menschen – die einzigen Tiere, die sich selbst einen Namen geben. Jeder Delfin hat einen eigenen Pfiff, an dem ihn andere Delfine erkennen können.

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Die Sprache der Delfine

Der amerikanische Erfinder Thomas Alva Edison entwickelt den Phonograph. Mit einer Nadel werden die Schwingungen des Schalls auf eine Rolle aus Wachs übertragen. Mit derselben Nadel können die Töne wieder abgespielt werden.

1887:

1898:

Emil Berliner erfindet das Grammophon und die Schallplatte.

Schallplatten können in großen Mengen hergestellt werden. Damit kann Musik für viele Menschen aufgenommen werden. Das Grammophon ist der Vorläufer des Plattenspielers, den es auch heute noch gibt.

Der Däne Valdemar Poulson erfindet das Telegraphon. Die Töne werden in Form von magnetischen Signalen auf einem Draht gespeichert und können wieder abgespielt werden. Das Telegraphon ist der Vorläufer von Tonbandgeräten und Kassettenrekordern.

Bilder aus Tönen

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Im Jahr 1787 „malte“ der deutsche Physiker Ernst Florens Friedrich Chladni das erste Mal mit Tönen. Er bestreute eine dünne Metallplatte mit Sand. Dann strich er mit einem Geigenbogen über den Rand der Platte und versetzte sie so in Schwingung.

Der Sand ordnete sich in einem regelmäßigen Muster an. Je nachdem, an welcher Stelle Chladni die Platte mit dem Bogen in Schwingung versetzte, änderte sich das Muster. Solche Muster werden nach ihrem Entdecker „Chladnische Klangfiguren“ genannt.

Übrigens …

Auch Gehörlose mögen Musik. Sie können zwar die Klänge nicht „hören“, allerdings können sie die Schwingungen mit anderen Sinnen aufnehmen. Über die Haut „fühlen“ sie die Musik. Zum Tanzen legen manche Gehörlose die Lautsprecherboxen flach auf den Boden. Die Schallwellen werden auf den Fußboden übertragen und können so mit den Füßen „gehört“ werden.

1981: Die erste Compact Disk (CD) kommt auf den Markt. Die Schallsignale werden in eine Abfolge von Vertiefungen in der Oberfläche umgewandelt, die mit dem Licht eines Lasers gelesen werden können.

Heute: Musik wird elektronisch gespeichert. USB-Sticks, MP3Player oder ComputerFestplatten dienen als Speicher.

Buchtipps Dr. Rainer Köthe: Was ist Was, Band 28: Akustik (Tessloff Verlag, 1006).

Werner Rentzsch: Experiment mit Spaß, Hydro& Aeromechanik, Akustik (Aulis Verlag).

Axel Brüggemann, Monika Horstmann, Manja Hellpap: Wie Krach zu Musik wird – Die etwas andere Musikgeschichte (Beltz & Gelberg, 2010).

Großes Jahres Memory 119

Großes Jahres-Memory

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Schneidet zuerst die Karten aus, dann könnt ihr das Wissenschafts-Memory spielen!

SPIELANLEITUNG: Jeweils zwei Karten gehören zusammen. Auf einer Karte ist das Bild eines Wissenschaftlers zu sehen, den du in diesem Jahr kennen gelernt hast. Auf der dazu passenden Karte wird kurz beschrieben, was der Betreffende geleistet hat.

START: Die Karten werden gemischt und verdeckt auf den Tisch gelegt.

Der erste Spieler deckt 2 Karten auf. Passen die Karten zusammen, darf dieser das Kartenpaar behalten.

Passen sie nicht zusammen, werden sie wieder umgedreht. Dann kommt der nächste Spieler an die Reihe.

•

Das Spiel ist zu Ende, sobald alle Kartenpaare richtig aufgedeckt worden sind.

Sieger ist derjenige, der die meisten Paare vor sich liegen hat.

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An der technischen Universität Wien baute ich einen der ersten Computer. Er war 3 m breit, 2,5 m hoch und wurde „Mailüfterl“ genannt.

Heinz Zemanek

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Isaac Newton

Ich war der Erste, der erkannte, dass die Gravitation eine Kraft ist. Diese Idee kam mir, als ich unter einem Apfelbaum saß und ein Apfel herunterfiel.

Ich entdeckte die Radioaktivität. Für diese Leistung erhielt ich 1903 den Nobelpreis in Physik.

Antoine Henri Becquerl

Archimedes

Ich beschäftigte mich lange Zeit mit der Wärme. Die Einheit der Arbeit ist nach mir benannt.

James Prescott Joule

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•

James Watt

Für den König von Syrakus stellte ich fest, dass seine neue Krone nicht aus reinem Gold bestand.

Dabei erkannte ich, dass der Auftrieb eines Körpers so groß ist, wie es der Masse der verdrängten Flüssigkeit entspricht.

Ich baute die erste funktionierende Dampfmaschine.

Nach mir ist die Einheit der Leistung benannt.

mp eV Oly

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120 GroĂ&#x;es Jahres Memory

Großes Jahres Memory 121

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Blaise Pascal

Ich beschäftigte mich sehr viel mit Schwingungen und machte auch einige neue Entdeckungen dabei. Nach mir ist die Einheit für die Frequenz benannt.

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Heinrich Hertz

Alexander Graham Bell

Ich war Professor für Physik im schottischen Glasgow und beschäftigte mich viel mit der Wärmelehre. Nach mir ist die Skala für die absolute Temperatur benannt.

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Ich lebte vor etwa 350 Jahren in Frankreich und untersuchte unter anderem den Luftdruck. Nach mir ist die Einheit für den Druck benannt.

Lord Kelvin

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Anders Celsius

Ich fand eine Möglichkeit, die Temperatur anzugeben.

Dabei orientierte ich mich nach dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt von Wasser.

Nach mir ist die bei uns gebräuchliche Temperaturskala benannt.

Ich entwickelte eines der ersten Telefone. Nach mir ist die Einheit für die Lautstärke benannt.

Evangelista Torricelli

Ernst Mach

Christian Doppler

Ich füllte Quecksilber in ein Glasrohr, das auf einer Seite verschlossen war. So entdeckte ich den Luftdruck. Nach mir wurde eine Einheit für den Luftdruck benannt, die heute aber kaum noch gebräuchlich ist.

Meine Forschungsarbeit beschäftigte sich mit dem Verhalten von schnell fliegenden Körpern.

Nach mir ist das Verhältnis einer Geschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit benannt.

Ich wurde in Salzburg geboren und beschäftigte mich viel mit der Ausbreitung von Lichtwellen. Nach mir ist ein Effekt benannt, der bei sich rasch bewegenden Schallquellen auftritt.

122 GroĂ&#x;es Jahres Memory

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Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen? 123

Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen?

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Bei ihrer Arbeit gehen Physiker und Physikerinnen meist nach bestimmten Regeln vor. Du hast bereits in Kapitel 2 kurz gehört, was die wichtigsten Schritte sind. Hier erfährst du Genaueres darüber.

1. Schritt: Die Beobachtung

2. Schritt: Die Hypothese

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ƒ Ein Physiker/eine Physikerin beobachtet etwas Neues: Die Beobachtung kann aus dem alltäglichen Leben sein, sie kann aber auch bei einem anderen Experiment auftreten. ƒ Der Physiker/die Physikerin wird neugierig und möchte herausfinden, was es mit dieser Beobachtung auf sich hat.

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ƒ Zuerst die Frage: „Warum ist das so?“ ƒ Man überlegt also, was die Ursache für die Beobachtung sein könnte. ƒ Die Vermutung für die Ursache nennt man „Hypothese“.

3. Schritt: Das Experiment

ƒ Wie kann nun die Hypothese überprüft werden? ƒ Angenommen, die Hypothese ist tatsächlich die Ursache für die Beobachtung – unter welchen Umständen könnte man die Beobachtung wiederholen? ƒ Dazu wird ein Experiment unter „kontrollierten Bedingungen“ vorbereitet. Das bedeutet: - Verschiedene Umgebungswerte (z. B. Temperatur oder Druck) können verändert werden.

- Störungen können vermieden werden. ƒ Schließlich führt man das Experiment mit verschiedenen Umgebungswerten durch.

4. Schritt: Überprüfung des Experiments

ƒ Hat das Experiment die erwarteten Ergebnisse gebracht? Konnte die Beobachtung wiederholt werden?

NEIN

Vermutlich war die Hypothese richtig und der nächste Schritt kann folgen.

Vermutlich war die Hypothese falsch: ƒ Wie könnte die Hypothese verändert werden? ƒ Wie könnte ein neues Experiment aussehen?

Oly

JA

5. Schritt: Verallgemeinerung

ƒ Die Beobachtung und meist auch andere Beobachtungen können nun erklärt werden. ƒ Aus der Hypothese wird eine „Theorie“. Eine physikalische Theorie ist eine Erklärung für einen Teilbereich der Natur. ƒ Mit einer Theorie kann auch vorausgesagt werden, wie andere Experimente ausgehen werden, die noch niemand durchgeführt hat.

ABER: Eine Theorie gilt immer nur so lange als richtig, bis ein Wissenschaflter oder eine Wissenschaflterin ein Experiment durchführt, das ein anderes Ergebnis bringt, als die Theorie vorhersagt.

Ein einziges Experiment kann eine Theorie ungültig werden lassen.

124 Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen?

Protokoll verfassen – leicht gemacht: 1) Vorbereitung ƒ Was könnte die Ursache für deine Beobachtung sein? ƒ Welche physikalische Gesetze könnten eine Rolle spielen?

2) Recherche

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Wie führe ich ein Experiment durch und verfasse ein Protokoll?

3) Hypothese

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ƒ Sieh in deinem Physikbuch nach und recherchiere im Internet oder in der Bibliothek! ƒ Findest du eine Erklärung für deine Beobachtung?

ƒ Suche mögliche Erklärungen für die Beobachtung! ƒ Halte diese möglichen Erklärungen schriftlich fest!

ƒ ƒ ƒ ƒ

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4) Vorbereitung des Experiments

Welche Ergebnisse könnte dein Experiment bringen?

Halte diese erwarteten Ergebnisse schriftlich fest!

Wie könntest du deine Beobachtung im Labor nachstellen?

Welche Geräte und Materialien brauchst du dazu?

5) Durchführung des Experiments

ƒ Beschaffe die Materialien und Geräte, baue dein Experiment auf und führe es durch!

6) Auswertung der Ergebnisse

ƒ Vergleiche die Ergebnisse deines Experiments mit den erwarteten Ergebnissen! ƒ Wenn die Ergebnisse nicht den Erwartungen entsprechen, überlege, ob du Fehler bei der Durchführung gemacht hast! Wenn du Fehler entdeckst, korrigiere den Fehler und führe das Experiment noch einmal durch!

Was ist ein Protokoll?

Oly

Ein Protokoll beschreibt ein Experiment. Es beschreibt, wie du während des Experimentes vorgegangen bist. Ebenso fasst es die Ergebnisse zusammen, zu denen du mit dem Experiment gekommen bist.

Wozu brauchst du ein Protokoll?

Du brauchst es, damit du auch zu einem späteren Zeitpunkt noch weißt, was du gemacht hast und wie du zu deinem Ergebnis gekommen bist. Aber auch andere Personen (z. B. Lehrer/Lehrerin, Mitschüler/Mitschülerin) sollen mit deinem Protokoll das Experiment wiederholen können. Im Protokoll werden die Ergebnisse festgehalten, um sie mit den Ergebnissen anderer Experimente vergleichen zu können.

Wie soll ein Protokoll aussehen?

Obwohl jedes Experiment anders abläuft und daher auch jedes Protokoll ein wenig anders aussehen wird, gibt es bestimmte Punkte, die jedes Protokoll enthalten muss. Auf der nächsten Seite findest du eine Vorlage, wie ein Protokoll aussehen könnte.

Wie arbeiten Physiker und Physikerinnen? 125

Name: Notiere hier, wer das Experiment durchgeführt hat!

Es können auch mehrere Namen sein.

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Titel: Gib deinem Experiment einen Namen!

Datum und Uhrzeit

verwendet hast!

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Material und Geräte: Gib an, was du alles für dein Experiment

Aufbau: Beschreibe, wie du dein Experiment aufgebaut hast!

mp eV

Fertige zusätzlich noch eine Skizze an!

Durchführung: Notiere, was du während des Experiments getan

hast! Wenn du während des Experiments einen Wert wie z. B. die Temperatur oder einen Winkel in mehreren Schritten veränderst, fertige eine Tabelle an!

Oly

Ergebnisse: Schreibe auf, was du gemessen und beobachtet hast! Du kannst die Ergebnisse auch in die Tabelle bei „Durchführung“ eintragen oder hier eine eigene Tabelle erstellen.

Erklärung: Beschreibe, wie die Ergebnisse zustande gekommen sind!

Gib an, welche physikalische Gesetzmäßigkeiten zu den Ergebnissen geführt haben! Dein Lehrbuch kann dir dabei helfen.

Sammle deine Protokolle in einer Mappe! Du kannst sie auch in dein Portfolio geben.

126 Spannende Experimente: Magnetismus Herstellen eines Magneten

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Du brauchst: Eisennagel oder Stricknadel aus Stahl * Stabmagnet * mehrere Büroklammern Anleitung:

ƒ Bringe den Eisennagel/die Stricknadel in die Nähe der Büroklammern!

erl

Was kannst du beobachten?

ƒ Streiche mit einem Pol des Stabmagneten einige Male immer in die gleiche Richtung den Nagel/ die Stricknadel entlang! ƒ Bringe nun den Nagel/die Stricknadel erneut in die Nähe der Büroklammern!

mp eV

Wie verhalten sich die Büroklammern jetzt?

Was ist mit dem Nagel/der Stricknadel geschehen?

Das magnetische Wechselwirkungsgesetz Du brauchst: 2 Versuchswagen * 2 Stabmagnete Anleitung:

ƒ Stelle die beiden Versuchswagen (A + B) in großem Abstand zueinander so auf den Tisch, dass sie aufeinander zurollen können! ƒ Lege die beiden Stabmagneten so auf die Wagen, dass sich ungleichnamige Pole gegenüber liegen! ƒ Schiebe nun Wagen A langsam an Wagen B heran!

Oly

Was beobachtest du?

ƒ Drehe nun einen der Stabmagnete um, sodass ƒ sich gleichnamige Pole gegenüber liegen! ƒ Schieb erneut Wagen A an Wagen B heran!

Wie verhalten sich die Wagen jetzt?

Wie lautet deine Schlussfolgerung?

Spannende Experimente: Mechanik 127

Du brauchst: Wagen * Luftballon * Klebeband * Gummiringerl Anleitung:

Was geschieht mit dem Wagen?

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Was schließt du daraus?

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ƒ Blase den Luftballon auf und verschließe ihn mit einem Gummiringerl! ƒ Klebe den Ballon in aufgeblasenem Zustand so auf den Wagen, dass die Öffnung in Fahrtrichtung zeigt! ƒ Entferne das Gummiringerl und halte dabei die Öffnung zu, sodass die Luft vorerst nicht entweichen kann! ƒ Stelle nun den Wagen auf den Fußboden und lasse die Öffnung los!

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Das Reaktionsprinzip

Das Volumen eines Körpers

Du brauchst: Standzylinder mit Markierungen * verschiedene Massestücke * Lebensmittelfarbe * Wasser * Faden Anleitung:

ƒ Fülle den Standzylinder etwa halb voll mit gefärbtem Wasser, bis die Oberfläche genau bis zu einer der Markierungen reicht! ƒ Hänge ein an einem Stück Faden befestigtes Massestück in das Wasser!

Was kannst du beobachten?

Oly

ƒ Wiederhole nun das Experiment mit anderen Massestücken!

Was kannst du beobachten?

Welche Schlüsse ziehst du daraus?

128 Spannende Experimente: Mechanik Ein Stapel Bücher

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Du brauchst: Bücher oder Hefte Anleitung:

ƒ Bilde aus den Büchern einen Stapel, lass dabei eines der Bücher ein Stück hervorstehen! ƒ Nun ziehe mit einem Ruck das vorstehende Buch aus der Mitte heraus!

erl

Was kannst du beobachten?

mp eV

Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen?

Am seidenen Faden

Du brauchst: 10g Massestück * 1 kg Massestück * dünner Faden (Zwirn) Anleitung:

ƒ Binde an beide Massestücke gleich Lange Fäden! ƒ Hebe beide Massestücke an den Fäden gleichzeitig langsam hoch!

Was geschieht?

ƒ Ziehe beide Massestücke an den Fäden rasch in die Höhe!

Oly

Was geschieht nun?

Wie lautet deine Schlussfolgerung?

Spannende Experimente: Mechanik 129

Standfestigkeit

Anleitung: ƒ Stelle die Figuren nebeneinander auf die Platte! ƒ Hebe die Platte an einer Seite vorsichtig immer weiter an!

erl

Was geschieht mit den „Figuren“?

ag

Du brauchst: verschiedene „Figuren“ (z. B. Spielkegel, Würfel, Spielklötze, Schachfiguren, etc.) * Platte mit rauer Oberfläche (z. B. Holzbrett)

mp eV

Was ist die Ursache für das Verhalten der „Figuren“?

Der einseitige Hebel

Du brauchst: Buch * Holzklötze * 2 verschieden lange Holzleisten mit Haken an den Enden (Anstelle des Hakens kann auch mit einer Schnur eine Schlinge an ein Ende gebunden werden) * Kraftmesser Anleitung: ƒ ƒ ƒ ƒ

Lege das Buch auf einige Holzklötze!

Befestige dann den Kraftmesser an der kürzeren Holzleiste!

Schiebe nun die Leiste ein Stück unter das Buch!

Ziehe die Holzleiste mit dem Kraftmesser nach oben und hebe so das Buch hoch!

Welche Kraft kannst du am Kraftmesser ablesen?

F = _________ N

ƒ Wiederhole nun das Experiment mit der längeren Holzleiste!

Oly

Welche Kraft kannst du nun am Kraftmesser ablesen?

F = _______ N

Wie lautet deine Schlussfolgerung?

130 Spannende Experimente: Mechanik Der zweiseitige Hebel

Anleitung: ƒ Lege das Lineal so auf den Holzklotz, dass eine Wippe entsteht!

Wie verhält sich das Lineal?

erl

ƒ Lege nun unterschiedliche Massestücke auf beide Enden des Lineals und zwar möglichst genau bei den Endmarkierungen!

ag

Du brauchst: Lineal * runder Holzklotz * zwei unterschiedliche Massestücke

mp eV

ƒ Verschiebe nun den Holzklotz so lange, bis die Wippe im Gleichgewicht ist! ƒ Lies die Entfernungen der beiden Massestück zum Holzklotz am Lineal direkt ab!

Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen?

Verteilung einer Last

Du brauchst: Holzleiste * 2 gleiche Kraftmesser * Stricknadel * 2 Sessel * Schnur * Massestück Anleitung:

Oly

ƒ Lege die Holzleiste waagrecht über die beiden Lehnen der Sessel! ƒ Befestige die beiden Kraftmesser nebeneinander an der Holzleiste! ƒ Lege die Stricknadel auf die unteren Haken der Kraftmesser! ƒ Befestige das Massestück mit Hilfe der Schnur verschiebbar an der Stricknadel! ƒ Schiebe das Massestück an verschiedene Stellen der Stricknadel und behalte dabei die Kraftmesser im Auge!

Was beobachtest du dabei?

Wie lautet deine Schlussfolgerung?

Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen 131

Die Oberflächenspannung von Wasser

ag

Du brauchst: Trinkglas * Wasser * Münzen * Teller oder Glasschale Anleitung:

ƒ Fülle das Glas bis zum Rand mit Wasser und stelle es in den Teller/die Glasschale! ƒ Lass die Münzen vorsichtig einzeln in das Glas gleiten! Achte dabei auf die Wasseroberfläche!

Erkläre deine Beobachtung!

mp eV

Buntes Papier

erl

Wie verhält sich die Oberfläche?

Du brauchst: Glasgefäß * gefärbtes Wasser (Lebensmittelfarbe) * verschiedene weiße Papiersorten (normales Kopierpapier, Löschpapier, Seidenpapier, Küchenpapier, Kopierkarton, WC-Papier, usw.) * Stricknadel * Wäscheklammern Anleitung:

ƒ Fülle das Glasgefäß etwa zur Hälfte mit gefärbtem Wasser! ƒ Schneide aus den Papiersorten jeweils gleich breite (1–2 cm) und gleich lange Streifen! ƒ Befestige die Papierstreifen mit Wäscheklammern an der Stricknadel und lege die Nadel so über das Gefäß, dass alle Streifen in das Wasser eintauchen und beobachte die Papierstreifen!

Beschreibe, was du siehst!

Erkläre deine Beobachtung!

Die Trickflasche

Oly

Du brauchst: Glasflasche (Volumen ca. 1l) * Münze (muss so groß sein, dass sie die Öffnung der Flasche verschließt) Anleitung:

ƒ Stelle die Flasche auf einen Tisch! ƒ Befeuchte dann den Rand der Flasche und lege die Münze so darauf, dass die Öffnung vollständig verschlossen wird! ƒ Umfasse die Flasche mit beiden Händen und halte sie eine Weile fest! Beobachte dabei die Münze!

Wie verhält sich die Münze?

Was ist die Ursache für das Verhalten der Münze?

132 Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen Die Senkwaage

ag

Du brauchst: Knetmasse * 2 Gläser * Trinkhalm aus Kunststoff * Wasser * Kochsalzlösung (Salz in Wasser auflösen) * Schere * wasserfester Stift Anleitung:

Schneide den Trinkhalm in einer Länge von ca. 10 cm ab!

Stecke ein Kügelchen Knetmasse an ein Ende des Halms!

Fülle ein Glas mit Wasser, das andere mit Kochsalzlösung!

Leg das Knetmassekügelchen mit dem Trinkhalm in die Kochsalzlösung!

Markiere nun mit dem Stift, bis zu welcher Tiefe der Halm in die Lösung taucht!

Leg anschließend das Kügelchen mit dem Halm in das Glas mit Wasser!

Was fällt dir auf?

mp eV

Beschreibe die Ursache für die Veränderung!

erl

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Das beladene Boot

Du brauchst: Knetmasse * Wanne mit Wasser * Reis (oder Kieselsteine) Anleitung:

ƒ Forme aus der Knetmasse eine Kugel! ƒ Lege die Kugel ins Wasser!

Was geschieht mit der Kugel im Wasser?

Was folgerst du daraus? Welche Kräfte wirken auf die Kugel?

Oly

ƒ Forme aus der Knetmasse eine flache Schale und lege diese ins Wasser!

Was geschieht nun mit der Knetmasse?

Wie sehen die Kräfte nun aus?

ƒ Fülle dann die Schale langsam mit Reiskörnern!

Was kannst du nun beobachten?

Wie verändern sich dabei die Kräfte?

Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen 133

Kraftübertragung durch Luft

ag

Du brauchst: 2 gleich große Injektionsspritzen (Apotheke) * dünner fester Gummischlauch Anleitung:

mp eV

Was kannst du beobachten?

erl

ƒ Ziehe eine der beiden Injektionsspritzen mit Luft auf! ƒ Verbinde die beiden Spritzen mit dem Gummischlauch! Achtung: Der Schlauch muss fest auf den Düsen der Spritzen sitzen. ƒ Drücke den Kolben der aufgezogenen Spritze hinein!

Finde eine Erklärung dafür!

Zusammendrücken von Luft

Du brauchst: große Injektionsspritze (Apotheke) Anleitung:

ƒ Ziehe die Spritze mit Luft auf! ƒ Verschließe die Düse mit deinem Daumen und drücke den Kolben so weit wie möglich hinein!

Oly

Was kannst du dabei feststellen?

ƒ Lass den Kolben wieder los!

Was geschieht nun?

Erkläre das Verhalten des Kolbens!

134 Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen „Anziehungskraft“ zwischen Tischtennisbällen

ag

Du brauchst: 2 Tischtennisbälle * 2 Holzleisten (Bleistifte) * Strohhalm Anleitung:

Was kannst du dabei beobachten?

erl

ƒ Leg die beiden Leisten im Abstand von ca. 2 cm nebeneinander auf den Tisch! ƒ Dann leg die beiden Tischtennisbälle im Abstand von etwa 2 cm auf die Leisten! ƒ Blase nun mit dem Strohhalm von oben kräftig zwischen die Bälle!

mp eV

Finde eine Begründung für das Verhalten der Tischtennisbälle!

Hinweis: Das Verhalten der beiden Tischtennisbälle ist auf den sogenannten Bernoulli-Effekt zurückzuführen.

Träge Luft

Du brauchst: 50 cm langes Lineal * großes dünnes Blatt Papier (z. B. Doppelseite aus einer großen Zeitung) Anleitung:

ƒ Lege das Lineal so auf einen Tisch, dass ca. 1/3 des Lineals über die Tischkante ragt! ƒ Breite nun das Blatt Papier über dem Lineal aus! ƒ Drücke dann das frei stehende Ende des Lineals langsam nach unten!

Wie verhält sich das Blatt Papier?

Oly

ƒ Schlage nun rasch von oben auf das frei stehende Ende des Lineals!

Was geschieht nun mit dem Blatt Papier?

Erkläre das unterschiedliche Verhalten des Papiers!

Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen 135

Der Wasserstau

ag

Du brauchst: leere Flasche * Trichter mit enger Öffnung am unteren Ende * Strohhalm * Knetmasse * Wasser Anleitung:

Was kannst du beim Eingießen beobachten?

erl

ƒ Stecke den Trichter in die Öffnung der Flasche! ƒ Dichte den Spalt zwischen Flaschenöffnung und Trichter mit Knetmasse luftdicht ab! ƒ Gieße Wasser in den Trichter!

ƒ Schiebe den Strohhalm durch den Trichter in die Flasche!

Was geschieht nun?

mp eV

Erkläre, was im Trichter geschehen ist!

Die schwebende Tasse

Du brauchst: schmales hohes Gefäß mit Henkel (Kaffeetasse) * Luftballon * Luftpumpe * Gummiringerl Anleitung:

Oly

ƒ Schiebe den Luftballon in das Gefäß! ƒ Blase den Luftballon mit der Pumpe auf! ƒ Verschließe dann den Luftballon mit dem Gummiringerl, sobald er das Gefäß vollständig ausfüllt! ƒ Hebe nun den Luftballon an seiner Öffnung vorsichtig an!

Was geschieht?

Finde eine Erklärung dafür!

136 Spannende Experimente: Die Welt besteht aus Teilchen Gestraffte Haut

ag

Du brauchst: Glasrohr (Durchmesser 3-4 cm) * 2 Luftballons * Gummiringe * Schere Anleitung:

Was beobachtest du an der anderen Gummihaut?

mp eV

Erkläre deine Beobachtung!

erl

ƒ Schneide mit der Schere von beiden Luftballons die Öffnungen ab! ƒ Spanne dann die beiden Gummihäute mit Gummiringen über die beiden Enden des Glasrohrs! ƒ Drück mit dem Finger auf eine der Gummihäute!

Der Zerstäuber

Du brauchst: Trinkglas mit Wasser * 2 Strohhalme Anleitung:

ƒ Stelle einen Strohhalm in das Glas! ƒ Halte dann die Öffnung des anderen Strohhalms knapp über die des Strohhalms im Glas und blas kräftig hinein!

Oly

Was geschieht?

Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht!

Spannende Experimente: Akustik 137

Das klingende Lineal

ag

Du brauchst: Lineal aus Kunststoff Anleitung:

ƒ Lege das Lineal so an eine Tischkante, dass es ein Stück über die Kante ragt! ƒ Drücke es dann mit dem Handballen direkt an der Kante fest an den Tisch! ƒ Danach biege das Lienal mit dem Daumen der anderen Hand ein Stück nach unten und lass es los!

erl

Was kannst du beobachten?

ƒ Scheibe anschließend das Lineal weiter über die Tischkante und wiederhole das Experiment!

Was geschieht nun?

mp eV

Erkläre, was geschehen ist!

Der singende Gartenschlauch

Du brauchst: 2 Stücke Gartenschlauch, von denen eines ca. 50 cm und das andere ca. 100 cm lang ist Anleitung:

ƒ Halte den kurzen Schlauch an einem Ende fest und versetze ihn über deinem Kopf in Drehung!

Was geschieht?

ƒ Wiederhole das Experiment mit dem längeren Stück!

Oly

Was kannst du jetzt feststellen?

Welche Schlussfolgerung kannst du ziehen?

138 Spannende Experimente: Akustik Schwingende Luftsäulen

ag

Du brauchst: 8 durchsichtige Glasflaschen * Wasser * Lebensmittelfarbe * Becherglas * Kochlöffel Anleitung:

Was kannst du feststellen?

mp eV

Finde eine Erklärung dafür!

erl

ƒ Mische im Becherglas Lebensmittelfarbe und Wasser! ƒ Befülle dann die Flaschen verschieden hoch mit gefärbtem Wasser! ƒ Schlage anschließend die Flaschen mit dem Kochlöffel am Rand des Flaschenhalses an, sodass ein Ton entsteht!

Tipp: Versuche, die 8 Flaschen so zu befüllen, dass die Töne die gesamte Tonleiter ergeben! Wenn du das Wasser in den Flaschen unterschiedlich färbst, entspricht jede Farbe einem anderen Ton. Du kannst dann auf den Flaschen einfache Melodien spielen.

Das Hörrohr

Du brauchst: Kartonrohr (z. B. von einer Küchenrolle) * mechanische Armbanduhr * mechanischer Wecker Anleitung:

ƒ Halte die Öffnung des Rohres an die Armbanduhr oder den Wecker! ƒ Dann halte dein Ohr an die andere Öffnung!

Oly

Was kannst du feststellen?

Wie kannst du deine Beobachtung erklären?

Spannende Experimente: Lösungen 139

ag

Herstellen eines Magneten (S. 126) Was kannst du beobachten? Die Büroklammern bewegen sich nicht.

Wie verhalten sich die Büroklammern jetzt? Sie bewegen sich auf den Nagel zu und bleiben an ihm haften.

Was ist mit dem Nagel/der Stricknadel geschehen? Beim Entlangstreichen mit dem Magneten wurde der Nagel/die Stricknadel selbst zu einem Magneten.

erl

Das magnetische Wechselwirkungsgesetz (S. 126) Was beobachtest du? Sobald Wagen A in die Nähe von Wagen B kommt, wird er angezogen.

Wie verhalten sich die Wagen jetzt? Sobald Wagen A in die Nähe von Wagen B kommt, wird dieser abgestoßen.

Wie lautet deine Schlussfolgerung? Ungleichnamige Pole ziehen einander an, gleichnamige Pole stoßen einander ab.

Das Reaktionsprinzip (S. 127) Was geschieht mit dem Wagen? Der Wagen setzt sich in Bewegung.

Was schließt du daraus? Die mit hoher Geschwindigkeit ausströmende Luft erzeugt eine Kraft, die bewirkt, dass sich der Wagen in die Gegenrichtung in Bewegung setzt.

mp eV

Das Volumen eines Körpers (S. 127) Was kannst du beobachten? (1) Der Wasserspiegel steigt an.

Was kannst du beobachten? (2) Der Wasserspiegel steigt stärker/weniger stark an.

Welche Schlüsse ziehst du daraus? Das Volumen, um das der Wasserspiegel ansteigt, entspricht dem Volumen des eingetauchten Massestücks.

Ein Stapel Bücher (S. 128) Was kannst du beobachten? Die anderen Bücher bleiben liegen.

Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen? Die Trägheit bewirkt, dass sich die übrigen Bücher nicht bewegen.

Am seidenen Faden (S. 128) Was geschieht? Beide Massestück werden hochgehoben.

Was geschieht nun? Der Faden am schwereren Massestück reißt.

Wie lautet deine Schlussfolgerung? Aufgrund der Trägheit wirkt beim raschen Hochziehen eine größere Kraft auf den Faden.

Standfestigkeit (S. 129) Was geschieht mit den „Figuren“? Die Figuren fallen um, allerdings nicht alle gleichzeitig.

Was ist die Ursache des Verhaltens der „Figuren“? Die Standfestigkeit eines Körpers ist umso größer, je größer die Standfläche ist und je tiefer der Schwerpunkt liegt.

Oly

Der einseitige Hebel (S. 129) Wie lautet deine Schlussfolgerung? Die zweite Kraft ist kleiner als die erste. Die Holzleisten sind einseitige Hebel, ihre Länge ist die Länge des Kraftarms im Hebelgesetz.

Der zweiseitige Hebel (S. 130) Wie verhält sich das Lineal? Das Lineal neigt sich nach einer Seite.

Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen? Das Produkt aus der Masse eines Massestücks und seinem Abstand vom Holzklotz ist auf beiden Seiten gleich.

140 Spannende Experimente: Lösungen

ag

Verteilung einer Last (S. 130) Was beobachtest du dabei? Die Anzeigen der beiden Kraftmesser verändern sich.

Wie lautet deine Schlussfolgerung? Die Verteilung der gesamten Gewichtskraft auf die beiden Kraftmesser hängt davon ab, wo die Gewichtskraft des Massestücks an der Stricknadel angreift. Die Verteilung der Kraft folgt dem Hebelgesetz.

erl

Die Oberflächenspannung von Wasser (S. 131) Wie verhält sich die Oberfläche? Das Wasser steigt, fließt aber nicht gleich über. Die Oberfläche wölbt sich nach oben.

Erkläre deine Beobachtung! Die Oberflächenspannung des Wassers hält das Wasser zusammen, das über den Rand ragt.

Buntes Papier (S. 131) Beschreibe, was du siehst! Die Papierstreifen färben sich unterschiedlich rasch.

Erkläre deine Beobachtung! Die Poren der Papiersorten wirken als Kapillaren. Da sie unterschiedlich groß sind, saugen sie das Wasser unterschiedlich rasch nach oben.

mp eV

Die Trickflasche (S. 131) Wie verhält sich die Münze? Die Münze bewegt sich auf der Flaschenöffnung.

Was ist die Ursache für das Verhalten der Münze? Die Luft in der Flasche wird erwärmt. Der Luftdruck steigt und bewegt die Münze.

Die Senkwaage (S. 132) Was fällt dir auf? Der Halm taucht tiefer ein.

Beschreibe die Ursache für die Veränderung! Die Flüssigkeiten haben unterschiedliche Dichte.

Daher ist der Auftrieb unterschiedlich groß.

Das beladene Boot (S. 132) Was geschieht mit der Kugel im Wasser? Sie sinkt.

Was folgerst du daraus? Welche Kräfte wirken auf die Kugel? Die Auftriebskraft ist geringer als die Gewichtskraft.

Was geschieht nun mit der Knetmasse? Sie schwimmt.

Wie sehen die Kräfte nun aus? Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft.

Was kannst du nun beobachten? Die Schale sinkt immer tiefer, bis sie untergeht.

Wie verändern sich dabei die Kräfte? Die Masse nimmt zu, bis die Gewichtskraft größer ist als die Auftriebskraft.

Oly

Kraftübertragung durch Luft (S. 133) Was kannst du beobachten? Der andere Kolben wird herausgedrückt.

Finde eine Erklärung dafür! Beim Hineindrücken des Kolbens steigt der Druck in der Spritze. Der Druck wird durch den Schlauch übertragen und drückt den anderen Kolben hinaus.

Zusammendrücken von Luft (S. 133) Was kannst du dabei feststellen? Je weiter man den Kolben hineindrückt, desto mehr Kraft braucht man.

Was geschieht nun? Der Kolben bewegt sich wieder hinaus.

Erkläre das Verhalten des Kolbens! Beim Hineindrücken steigt der Druck in der Spritze. Nach dem Loslassen bewirkt der Druck, dass der Kolben wieder hinaus gedrückt wird. „Anziehungskraft“ zwischen Tennisbällen (S. 134) Was kannst du dabei beobachten? Die Bälle bewegen sich auf einander zu.

Finde eine Begründung für das Verhalten der Tischtennisbälle! Die Luft, die sich zwischen den Bällen bewegt, erzeugt einen Unterdruck. Dieser saugt die Bälle auf einander zu.

Spannende Experimente: Lösungen 141

ag

Träge Luft (S. 134) Wie verhält sich das Blatt Papier? Es wird hochgehoben.

Was geschieht nun mit dem Blatt Papier? Es hebt sich nicht, sondern reißt.

Erkläre das unterschiedliche Verhalten des Papiers! Auf das Papier wirkt der Luftdruck. Beim langsamen Drücken kann die Luft unter das Papier strömen. Beim raschen Schlagen kann sie jedoch nicht rasch genug nachströmen. Der Luftdruck presst das Papier auf den Tisch.

erl

Der Wasserstau (S. 135) Was kannst du beim Eingießen beobachten? Etwas Wasser fließt in die Flasche, dann bleibt das Wasser stehen.

Was geschieht nun? Das Wasser fließt rasch in die Flasche.

Erkläre, was im Trichter geschehen ist! In der Flasche entsteht ein Überdruck, der das Eindringen von Wasser verhindert. Der Strohhalm sorgt für einen Druckausgleich mit der Umgebung.

Die schwebende Tasse (S. 135) Was geschieht? Die Tasse wird mit angehoben.

Finde eine Erklärung dafür! Der Luftdruck im Ballon presst diesen gegen die Innenwand des Gefäßes. Die Reibungskraft zwischen Ballon und Gefäß ist größer als die Gewichtskraft.

mp eV

Gestraffte Haut (S. 136) Was beobachtest du an der anderen Gummihaut? Sie wölbt sich nach außen.

Erkläre deine Beobachtung! Durch das Drücken auf eine Gummihaut entsteht im Rohr ein Überdruck.

Der Zerstäuber (S. 136) Was geschieht? Das Wasser im Strohhalm steigt nach oben und wird zerstäubt.

Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht! Durch das Blasen entsteht im stehenden Strohhalm ein Unterdruck. Dadurch wird das Wasser nach oben gesaugt.

Das klingende Lineal (S. 137) Was kannst du beobachten? Das Lineal schwingt, ein Ton entsteht.

Was geschieht nun? Die Tonhöhe verändert sich.

Erkläre, was geschehen ist! Die Schwingungsfrequenz des Lineals hängt von der Länge des schwingenden Teils ab. Beim Schwingen setzt es auch die Luft in Schwingung, sodass ein Ton entsteht.

Die Tonhöhe ist von der Frequenz des schwingenden Lineals abhängig.

Oly

Der singende Gartenschlauch (S. 137) Was geschieht? Ein Ton entsteht.

Was kannst du jetzt feststellen? Der entstehende Ton ist tiefer.

Welche Schlussfolgerung kannst du ziehen? Die an der Öffnung vorbei strömende Luft versetzt die Luft im Schlauch in Schwingung. Die Tonhöhe hängt von der Länge der schwingenden Luftsäule ab.

Schwingende Luftsäulen (S. 138) Was kannst du feststellen? Der Ton ist umso höher, je mehr Wasser in der Flasche ist.

Finde eine Erklärung dafür! Beim Anschlagen wird die Luftsäule über dem Wasser in Schwingung versetzt. Die Tonhöhe hängt von der Länge der Luftsäule ab.

Das Hörrohr (S. 138) Was kannst du feststellen? Der Ton wird lauter.

Wie kannst du deine Beobachtung erklären? Die Schallenergie der Schallquelle kann sich nicht in alle Richtungen ausbreiten, sondern wird im Rohr gebündelt.

142 Register REGISTER

Bremsen: 36, 44, 72, 78 Bremsweg: 38 Brennstoff: 45, 72 Briefwaage: 23 Brown, Robert: 89 Brownsche Bewegung: 89 Brückenwaage: 23

Fahrenheit, Daniel Gabriel: 67 Hörgerät: 10 Hörrohr: 10 Hubarbeit: 41 Hubble-Weltraumteleskop: 10 Hubschrauber: 52, 92 Hufeisenmagnet: 13 Hydraulik: 78 Hydraulikzylinder: 78 hydraulische Presse: 78 Hydrostatik: 77 Hydrostatisches Paradoxon: 77 Hypothese: 7

ag

Feder: 23, 77 Federn: 64, 92 Aerodynamik: 91 Federwaage: 23 aerodynamischer Auftrieb: 91 Feldlinien: 13, 19 Aggregatzustand: 61, 63 Fernrohr: 10 Akustik: 5, 8, 99 ferromagnetisch: 5, 12 Alternativenergie: 45 Flaschenzug: 53, 54, 56 Amplitude: 108 Celsius, Anders: 67 Fledermaus: 8, 92, 101, 111 Angelpunkt: 51 chemische Energie: 44 Fliegen: 8, 86, 89, 90, 92, 98 Angriffspunkt: 24, 32, 37, 49, Chladni, Ernst Florens Flugzeug: 10, 39, 91, 107 52 Friedrich: 118 Flüssigkeit: 6, 50, 61, 66, 76, 81, Anhalteweg: 38 Chladnische Klangfiguren: 118 85, 90, 100, 110 Anomalie: 68 Computer: 6, 7, 8, 13 Flüssigkeitsthermometer: 66 Anomalie des Wassers: 68, 82, Concorde: 107 fossile Energie: 45 95 Crashtest: 26 Fotosynthese: 45 Antike: 6, 59 Frequenz: 101, 108, 110, 117 Antilärm: 117 Dampfmaschine: 6, 46 Antischall: 117 Dauermagnet: 12 Galilei, Galileo: 10 Anziehungskraft: 11, 36 Dehnungsfuge: 65 Galileo Thermometer: 97 Apothekerwaage: 23 Delfin: 101, 118 Galvani, Luigi: 10 Aquaplaning: 38 Dezibel: 109 Gegenkraft: 24, 37 Aräometer: 83, 87 Dezimalwaage: 23 geradlinige Bewegung: 36 Arbeit: 41, 46, 49, 52, 71 Dichte: 29, 30, 67, 68, 77, 81, Geräusch: 5, 99, 102, 109, 112 Archimedes: 6, 29, 50, 51, 53, 83, 84, 86, 90, 108 Geschwindigkeit: 23, 35, 38, 59, 81 Differenzialflaschenzug: 56 42, 54, 62, 72, 90, 107, 112 Archimedische Schraube: 6, Diffusion: 90 Getriebe: 54 50, 59 Donner: 6, 107 Gewicht: 21, 30, 75, 76, 82, 86 Archimedisches Prinzip: 81 Doppler, Christian: 111 Gewichtskraft: 22, 49, 75, 81 Armstrong, Neil: 21 Dopplereffekt: 111 Glasfaser: 8 Astronaut: 21 Drehmoment: 52 Glatteis: 27, 38 Astronom/Astronomin: 67 Drehpunkt: 40, 51 gleichförmig: 35 Atmosphäre: 45, 84 Drehtür: 52 Gleichgewicht: 23, 82 Atom: 6 Druck: 75, 76, 78, 84, 99 gleichnamig: 12 Atomenergie: 10 Druckluft: 85 Gleitreibung: 25, 60 Atomphysik: 5, 8 Druckuhr: 77 Glühbirne: 7 Auftrieb: 81, 86, 90, 91, 95, 96, DurchschnittsGoldene Regel der Mechanik: 97 geschwindigkeit: 35 53, 78 Grammophon: 102, 118 Balkenwaage: 22 Earhart, Amelia: 98 Gravitation: 21, 24, 26 Ballasttank: 83 Echo: 111, 117 Ballon: 86, 89 Edelgas: 84, 86 Haarröhrchenwirkung: 62 Bar: 75, 76, 84, 85, 97 Edison, Thomas Alva: 7, 118 Haftmagnet: 14 Barometer: 85 Eigenfrequenz: 110 Haftreibung: 25 Becquerel, Antoine Henri: 8 Einfache Maschinen: 6, 49 Hahn, Otto: 10 Beharrungsvermögen: 37 Eis: 30, 61, 68, 82, 97 Hebel: 6, 23, 51 Bell, Alexander Graham: 109 Eisberg: 68, 82 Hebelgesetz: 51, 59 benetzend: 62 Elektrizitätslehre: 5, 6, 7 Heißluftballon: 86, 90 Berliner, Emil: 118 Elektromagnet: 12 Heizwert: 72 beschleunigte Bewegung: 36 Elementarmagnet: 15 Hertz (Einheit): 101 Beschleunigung: 23, 36, 38, 44 Energie: 41, 44, 71, 97, 108 Hertz, Heinrich: 101 Bewegung: 23, 31, 35, 42, 72, Energieerhaltungssatz: 43, 45 Heureka: 29 90, 99 Energiequelle: 44, 45, 97 Himmelskörper: 10, 21, 60, 67, Bewegungsrichtung: 31, 36 Energieübertragung: 42 72 Bimetall: 66, 70 Energieumwandlung: 43 Himmelsrichtung: 11 Biomasse: 45 Erdbeschleunigung: 24 Hindenburg: 98 Blechblasintrument: 102, 104 Erde: 6, 11, 19, 21, 27, 45, 71, Holzblasintrument: 102, 104 Blériot, Louis: 98 84 Hörbereich: 101, 112 Blitz: 6, 107 Explosion: 98, 113

Implosion: 98

Oly

mp eV

erl

Adhäsion: 62, 64

Infraschall: 101, 112 Internet: 8

Joule (Einheit): 41, 71 Joule, James Prescott: 41 Jupiter: 10, 27

Kalorie: 71 Kapillarität: 62 Keil: 50 Kelvin (Einheit): 67 Kelvin, Lord: 67 kinetische Energie: 42, 44, 72 Klang: 101 Kohäsion: 61 Kolben: 78, 85 kommunizierende Gefäße: 77 Kompass: 10, 11, 19 Kompressor: 85 Kraft: 12, 21, 31, 41, 49, 61, 75, 76, 78, 81, 84 Kraftarm: 51 Kräfteparallelogramm: 32, 50 Kraftmesser: 23 Kran: 10, 26, 53, 54 Kreditkarte: 7 Kristall: 61 Kurbel: 53 Kurve: 36, 66 Lärm: 112, 117 Lärmschutzwand: 112 Lastarm: 51 Lautsprecher: 14, 100, 102, 117 Lautstärke: 109, 112, 117 Leistung: 41, 46 Licht: 5, 60, 118 Lilienthal, Otto: 10, 98 Lindbergh, Charles: 98 Luft: 6, 19, 26, 30, 60, 83, 84, 86, 89, 99, 107 Luftdruck: 75, 84, 85, 91, 98, 99, 108 Luftkissenfahrzeug: 60 Luftsäule: 104

Register 143 Mach (Einheit): 107

Oberflächenspannung, 62, 97 Schallwelle: 99, 100, 107, 108

Tretmühle: 10 Trommel: 99, 103 Trommelfell: 76, 100

Überschall: 107 U-Boot: 83 Ultraschall: 8, 101, 111 ungleichnamig: 12 Unterdruck: 85, 90, 91, 98 Unterschall: 107 Urkilogramm: 22

ag

Schiefe Ebene: 49, 50 Mach, Ernst: 107 Optik: 5, 6, 8 schmelzen: 67 Magdeburger Halbkugeln: 98 Oszilloskop: 101 Schmelztemperatur: 67 Magnet: 5, 7, 10, 11, 12, 19 Schmerzgrenze: 109 Magnetfeld: 11, 13, 18, 19, 20 Paradoxon: 77 Schraube: 6, 50 Magnetismus: 5, 7, 11, 13, 19, Parfümzerstäuber: 91 Schwarzes Loch: 60 20 Pascal (Einheit): 75 Schwerkraft: 6, 21, 26, 41, 60 Magnetit: 11 Pascal, Blaise: 75 Schwerpunkt: 37, 58 Magnetlinie: 13, 19 Pendel: 108, 110 Schwimmblase: 83 MagnetresonanzPermanentmagnet: 12 Schwingung: 71, 99, 101, 108, tomographie: 20 Perpetuum Mobile: 43 110, 117 Magnetron: 13 PET-Scan: 8 Schwingungsenergie: 71 Magnetstreifen: 7 Pferdestärke: 46 Schwingungsphase: 108, 109 Magnettherapie: 20 physikalische Einheit: 30 Segelflug: 92, 98 Mailüfterl: 7 Pol: 12, 19 Seil: 25, 31, 52 Mars: 27 Polarlicht: 19 Seilziehen: 31 Masse: 21, 29, 37, 41, 44, 51, Pollen: 89 Seilzugleiter: 54 60, 72, 84 Polo, Marco: 11 Selbstklinger: 102, 103 Massemittelpunkt: 37 Potenzflaschenzug: 56 Massesatz: 22, 23 potenzielle Energie: 42, 43, 44, Sicherheitsgurt: 36, 38 Siedetemperatur; 67, 84 Materie: 21, 45 71 Siphon: 77 Mechanik: 5, 6, 8, 21, 37, 53, 78 Poulson, Valdemar: 118 Skala: 22, 23, 66, 67, 77, 83 Membran: 99, 100, 103 Pressluft: 83 Solaranlage: 45 Membraninstrument: 102, 103 Presslufthammer: 85, 109 Sonne: 6, 19, 21, 27, 45, 60, 65, Mesmer, Franz Anton: 20 Pumpe: 84, 85, 90, 91 84 Meteorit: 72 Methaneis: 97 Quecksilber: 30, 62, 66, 77, 83, Sonnenenergie: 45 spezifisches Gewicht: 30 Metronom: 110 85 spröde: 43 Mikrofon: 100, 101, 109, 117 Stabmagnet: 13 Mikroprozessor: 7 Rampe: 49 Stange: 50, 52 Mikrowellenherd: 14 Raumfahrt: 21 Steigungswinkel: 49 Mineral: 11 Reaktionsprinzip: 24 Stickstoff: 84 mittlere Geschwindigkeit: 35 Reaktionsweg: 38 Stimmband: 100, 117 Modell: 61 Reflexion: 111 Stimmbruch: 117 Moment: 52 Regen: 6, 38, 45 MomentanReibung: 25, 38, 41, 43, 60, 72 Stimmgabel: 101, 110 Strömungswiderstand: 26 geschwindigkeit: 36 Reibungsarbeit: 41 Südpol: 12, 19, 68 Mond: 6, 21, 27, 108 Reibungskraft: 25, 43 Mondfinsternis: 6 Resonanz: 102, 110 Tachometer: 35 Motorkraft: 26 Rettungsgasse: 38 Technik: 7, 46, 54, 66, 77, 85 MRT: 10, 20 Ringmagnet: 12, 13 Teilchen: 5, 6, 19, 44, 61, 65, 71, Musikinstrument: 99, 102, 112 Rolle: 25, 52, 53, 54, 60, 65 76, 84, 90, 99 Muskelkraft: 26 Rollreibung: 25 Teilchenbewegung: 61, 65, 90 Mutter (zu Schraube): 50 Rotor: 92 Teilchenmodell: 61 Rutsche: 49 Temperatur: 45, 61, 65, 67, 71, NASA: 21 84, 86 Naturwissenschaft: 5, 6 Saite: 102, 103 Temperaturunterschied: 45, 67 Nebel: 90 Saiteninstrument: 102, 103 Thermik: 92 Neodym: 20 Sauerstoff: 67, 84, 86, 110 Thermometer: 66, 67, 97 Newton (Einheit): 24, 30, 75 Schall: 59, 99, 100, 102, 107, Ton: 5, 14, 101, 109 Newton, Isaac: 6, 21, 37, 59 111 Tonhöhe: 103, 109 Newtonmeter: 41 Schallausbreitung: 100, 110 Topfmagnet: 13 Nobelpreis: 8 Schallgeschwindigkeit: 107, Torr: 85 Norden: 10, 11, 12, 19 110 Torricelli, Evangelista: 85 Nordpol: 12, 19 Schallkanone: 117 Tragfläche: 91 Normalkraft: 31, 49, 50 Schallplatte: 118 Trägheit: 37 Schallquelle: 109, 111 Trägheitssatz: 37 schalltoter Raum: 117

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Vakuum: 84, 90, 100 Ventil: 78, 84, 85, 104 verbundene Gefäße: 77, 78 Verdrängung: 81 Verdunsten: 61 Verformungsarbeit: 41 Verformungskraft: 26, 41 Verzögerung: 25, 36 Vogel: 10, 19, 92, 97 Volumen: 29, 30, 65, 81, 86 Waage: 22, 51 Wagenheber: 78 Wärme: 5, 43, 45, 65, 71 Wärmeausdehnung: 65 Wärmeenergie: 43, 71 Wärmelehre: 5, 6, 8 Wärmemenge: 71 Wasser: 14, 24, 26, 29, 38, 61, 67, 68, 71, 76, 81, 84, 90, 100, 107 Wasserdruck: 76, 85 Wasserenergie: 45 Wasserstrahlpumpe: 90 Watt (Einheit): 46 Watt, James: 46 Wegstrecke: 35 Welle: 53, 99, 101, 107, 108, 111 Wellrad: 53, 54 Wetter: 65, 84 Windenergie: 45 Windrad: 45 Windrose: 11 Wippe: 51 Wolke: 90, 107 Wright, Wilbur und Orville: 98 Zeit-Weg-Diagramm: 36

Zemanek, Heinz: 7 Zeppelin: 86 Zylinder: 50, 78, 85

144 Bildquellen BILDQUELLEN:

Dorling Kindersley: 10/3, 29/1 Dorling Kindersley/Gerald Wood: 60/2 Dorling Kindersley/Peter Dennis: 19/4 Dorling Kindersley/Ricky Blakeley: 6/1 fotolia.com: Andrea Danti: 83/7, Artenauta: 108/7, Bilderzwerg: 100/4, Ericos: 107/4, Frank-Peter Funke: 104/6, Giovanni Burlini: 20/4, itsallgood: 59/8, Julie Eydman: 47/4, Leah-Anne Thompson: 43/2, Lochstampfer: 89/3, Lucky Dragon USA: 72/1, Peter38: 49/3, S.Kobold: 47/8, Tomasz Nowicki: 85/1 Ingo Wagner / dpa / picturedesk.com: 65/2 istockphoto.com: stocksnapper: 72/5, Tommounsey: 13/1 Jay Nemeth / AFP / picturedesk.com: 86/5

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Jupiterimages: 15/1, 17/1, 20/6, 41/1, 57/1, 70/5, 73, 74/1, 74/2, 74/3, 74/4, 74/5, 74/6, 94/1, 94/2, 95/1, 106/2, 106/3, 106/4, 114/1, 114/2, 114/3, 114/4, 114/5, 115/1, 124/2, 125/1, 125/2, 125/3, 125/4, 125/5, 125/6, 125/7, 125/8, 125/9

105/3, 110/2, Juri Semjonow: 10/2, Kai Chiang: 81/3, Kari Høglund: 23/4, Ken Hurst: 9/6, Kerstin Waurick: 31/2, Kirill Volkov: 54/5, Knotsmaster: 9/7, koch valArie: 91/7, Konstantin Tavrov: 99/1, Kwanjai Mueanyaem: 14/7, Lana Langlois: 50/4, Lance Bellers: 88/1, Lars Johansson: 5/6, Lisa F. Young: 93/3, Ljupco: 104/5, LSaloni: 33/2, Luigi De Zotti: 33/5, Luismmolina: 86/3, Lynne Carpenter: 41/5, Madeleine Openshaw: 103/2, Manfred Steinbach: 111/3, Marc Cobelens: 89/1, Marcus Lindström: 87/3, Mark Beckwith: 59/7, Mark Kostich: 8/4, 20/1, Martin Carlsson: 75/4, Martin Mark Soerensen: 75/1, Matthew Cole: 3/2, 7/1, 11/1, 15/4, Maxim Pavlov: 79/4, Michael Gray: 72/4, Miguel Lamiel: 55/7, Mikhail Kokhanchikov: 5/2, Milos Luzanin: 25/3, 40/2, MReinhardt: 92/3, Nancy Nehring: 94/6, Nicolas McComber: 53/4, Nik Rogul: 14/1, ODV: 33/1, 43/3, Oleg Kruglov: 48/2, Oleksiy Mark: 66/3, Olga Ekaterincheva: 105/4, Olga Khoroshunova: 79/1, Ovidiu Iordachi: 83/1, Owen Price: 63/10, Pauline Breijer: 113/2, Pavel Ignatov: 22/1, Péter Gudella: 38/2, phil morley: 102/5, PhotoObjects.net: 105/5, photos.com: 14/4, 22/5, 45/3, 47/1, 47/3, 54/4, 68/6, 88/4, 103/5, 105/6, Piotr Zajc: 7/3, Pixland: 31/6, 34/5, 111/2, Polka Dot Images: 82/3, PressureUA: 11/2, Prill Mediendesign & Fotografie: 50/5, 63/11, Rade Lukovic: 79/3, Rafael Ramirez Lee: 37/2, Ralf Hettler: 23/3, Robert Carner: 28/7, Robert Walsh: 108/5, Rodrusoleg: 9/15, Roger Jegg: 80/1, Roman Ivaschenko: 43/6, Roman Krochuk: 19/3, Scott Barr: 53/2, sébastien decoret: 72/2, Sergei Butorin: 52/5, Sergejs Razvodovskis: 5/4, Sergey Lavrentev: 51/6, Sergey Volkov: 28/8, Sergio Boccardo: 13/9, SerrNovik: 4/2, Seth Loader: 55/1, shot conceptual photography: 68/1, SimonKr d.o.o: 100/1, sixis79: 88/5, Spectral-Design: 87/5, Staffan Andersson: 48/4, Stanislav Biespolitov: 9/5, Stefano Lunardi: 42/1, 42/2, Steve Collyer: 64/5, Steve McBeath: 54/2, Stockbye: 9/3, 10/13, 25/3, 26/3, 33/3, 55/6, 66/5, 85/2, 91/6, 102/1, 103/6, Suemack: 92/4, Suljo: 4/1, Tatiana Popova: 106/1, Terence Lee: 44/1, Thinkstock: 5/7, 23/6, 34/2, 34/4, 47/2, 59/3, Thomas Perkins: 43/4, Tom Begasse: 71/3, Tom Brakefield: 87/7, 118/1, Tomaz Levstek: 100/7, TommL: 9/4, 110/4, Totalpics: 79/5, 112/5, TSpider: 19/2, Vaidas Bucys: 85/4, Valentyn Volkov: 97/1, Valerie Crafter: 53/3, Valeriy Gontar: 61/4, Valeriy Kirsanov: 8/7, Viktor Spade: 45/4, Vilainecrevette: 87/2, Visdia: 9/11, Vladimir Koletic: 28/9, Vladislav Lebedinski: 104/7, Ying Feng Johansson: 38/3, Yuriy Chaban: 3/3

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Christian Monyk: 11/3, 12/1, 12/2, 13/2, 13/3, 13/6, 13/7, 13/8, 14/8, 15/2, 15/3, 16/1, 16/2, 16/3, 17/2, 17/3, 18/1, 18/2, 23/2, 24/1, 24/2, 25/4, 25/5, 25/6, 29/2, 29/3, 30/2, 31/4, 31/7, 32/3, 32/4, 32/6, 33/4, 34/1, 36/1, 37/1, 39/6, 42/3, 42/4, 42/5, 43/1, 49/1, 49/2, 50/1, 51/1, 51/2, 51/3, 51/4, 55/10, 57/2, 57/3, 57/4, 58/1, 58/2, 58/3, 61/2, 61/3, 62/1, 62/3, 62/4, 62/5, 63/1, 63/2, 63/3, 65/3, 65/4, 66/1, 68/4, 69/1, 70/1, 71/1, 71/2, 75/2, 75/3, 75/7, 76/2, 76/3, 76/4, 77/1, 77/2, 77/3, 77/4, 77/5, 78/1, 78/3, 79/2, 79/7, 79/9, 81/2, 82/1, 82/4, 82/6, 83/3, 83/6, 84/1, 84/2, 84/3, 85/5, 89/2, 90/2, 90/3, 91/1, 91/2, 91/3, 93/9, 95/2, 95/4, 96/1, 96/3, 99/2, 99/3, 100/5, 101/3, 102/4, 104/9, 107/3, 108/1, 108/2, 108/3, 108/4, 108/6, 109/1, 109/2, 110/1, 111/1, 111/4, 113/1, 114/6, 115/2, 115/3, 115/4, 116/1, 116/2, 116/3, 117/3, 126, 127/1, 127/2, 129, 130/1, 130/2, 132/1, 132/2, 133, 134/1, 134/2, 135/1, 135/2, 136/1, 136/2

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akg-images / picturedesk.com: 10/11, 98/1

McPHOTO / vario images / picturedesk.com: 69/3

Milenko Badzic / First Look / picturedesk.com: 101/1

Miles Kelly Publishing Ltd., United Kingdom: 6/2, 39/4

Raoul Krischanitz: 3/1, 30/1

Reed International Books Ltd., 1991: Taylor, Journey through inventions: 10/1 Rolf Neumann/pixelio.de: 35/2

shutterstock.com: Bannykh Alexey Vladimirovich: 124/1, forest badger: 97/2, James Horning: 117/5, MilanB: 102/2, Patryk Kosmider: 63/9, Vulkanette: 54/1 Stefan Aufschnaiter / dpa Picture Alliance / picturedesk.com: 86/6 T. Sbampato / ChromOrange / picturedesk.com: 69/5 thinkstockphotos.de/Picsfive: 128

Wikimedia commons: 7/4, 10/5, 10/9, 10/12, 10/14, 13/4, 20/3, 20/5, 22/6, 36/3, 38/4, 41/6, 46/3, 59/1, 59/2, 59/4, 65/5, 66/4, 67/2, 78/4, 79/8, 89/4, 94/4, 96/2, 98/2, 98/3, 98/5, 98/6, 98/7, 101/4, 107/5, 109/3, 110/5, 111/5, 112/2, 119/3, 119/5, 121/1, 121/2, 121/3, 121/4, 121/5, 121/6, 121/7, 121/8, 11111: 66/2, AerospaceEd.org: 8/1, Airbus A380: 94/7, Azzurro: 93/2, Bildarchiv Preussischer Kulturbesitz, Berlin: 86/4, Bitman: 118/4, Brady Holt: 26/5, Brücke-Osteuropa: 39/1, Bundesarchiv, Bild 102-13590 / CC-BY-SA: 98/4, Chittka L, Brockmann: 88/6, Christian Wirth: 119/1, Cmglee: 59/5, Dave Indech: 38/1, Dima Fantomas: 94/3, Dtom: 91/4, El.Bardo: 65/6, Elmar Bergeier: 118/6, Florian Staudacher: 7/5, Gab997: 93/5, Gdirwin: 101/5, GOKLuLe: 11/4, Harmid: 8/3, HCRS Home Labor Page: 14/3, Helmut Januschka: 20/2, Henry Mühlpfordt: 117/4, Jean-Etienne Poirrier: 103/10, JJ Harrison: 14/2, Joe MiGo: 8/5, Jose Reynaldo da Fonseca: 109/4, KasugaHuang: 10/10, Klaus with K: 60/3, KMJ: 46/5, KoenB: 92/1, Lotus Head: 7/2, Ltshears: 59/6, Luc Viatour: 47/6, Malene Thyssen: 117/1, Manco Capac: 85/3, Marie-Lan Nguyen: 6/3, 119/4, Markus Brinkmann: 50/7, MesserWoland: 60/4, Michael Gasperl: 64/6, NASA: 10/8, 19/1, 19/5, 21/1, 21/2, 39/3, 60/1, 94/5, National Bureau of Standards: 22/3, National Portrait Gallery, London: 46/4, 119/6, NobbiP: 10/7, Norman Bruderhofer: 118/2, 118/3, Paul Foot: 39/5, Père Igor: 23/5, Pete: 83/4, Prolineserver: 52/4, 53/1, 56/1, 56/2, Rotational: 93/4, Ruizo: 104/3, Sgbeer: 46/2, 113/3, Smithonian Institution Libraries: 119/2, Splarka: 19/6, Stefan Scheer: 50/3, Sudstädter: 54/3, Supermartl: 83/5, Tigerente: 80/2, TimVickers: 62/2, Tucker M. Yates / U.S. Navy: 117/2, US Military: 75/5, Walter Siegmund: 93/6, Wusel007: 97/5, Xaver Aerni: 10/6, Zátonyi Sándor: 111/6

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photos.com: _IP_: 48/6, Aaron Kohr: 44/2, Ablestock.com: 9/9, Achim Prill: 64/2, 97/3, Aleksandr Stennikov: 63/4, Aleksangel: 16/4, Alexander Shirokov: 9/12, Andreas Karelias: 63/6, Andrei Komarov: 33/6, Andrej Vuji?i?: 50/2, Andrew Ostrovsky: 120, Andrey Armyagov: 76/1, Andrey Ezhov: 63/7, Andrey Solovyev: 68/2, 82/2, Andrey Zyk: 105/1, Andrii Oleksiienko: 44/3, Andris Daugovich: 47/7, Andrzej Gibasiewicz: 68/3, Anna Dudko: 27/1, Annett Vauteck: 104/8, Anton Balazh: 5/5, Anzeletti: 65/1, aragami123345: 92/2, Ben Blankenburg: 26/4, BEZERGHEANU Mircea: 83/2, Boris Kaulin: 75/6, Borislav Marinic: 9/13, Bram Janssens: 70/4, Bubaone: 70/2, Carmen Martínez Banús: 46/1, cheri131: 92/5, Cheryl Casey: 55/4, Chris Rogers: 28/3, Ciebilski Photography: 31/3, code6d: 82/7, Comstock: 5/1, 5/3, 9/2, 9/8, 24/3, 25/2, 34/3, 45/5, 48/5, 62/6, 67/1, 81/4, 86/2, 118/5, Cristian Gabriel Kerekes: 107/2, Cristian Mihai Vela: 14/5, Dan Bannister: 34/7, Dan Barnes: 26/2, Danny Smythe: 50/6, Darrin Henry: 112/4, Dave Sangster: 68/5, Dave White: 23/1, David Freund: 53/6, David Hernandez: 112/1, Demypic: 33/7, Diane Labombarbe: 4/3, 70/7, Dmitriy Bryndin: 82/5, Dmitry Kalinovsky: 28/4, Dmitry Kudryavtsev : 9/1, Dmitry Maslov: 64/1, Don Bayley: 53/5, Dragan Trifunovic: 55/8, Dušan Kostić: 93/8, Edwin Verin: 69/4, Elena Duvernay: 27/2, Elena Elisseeva: 45/1, Ella Hanochi: 25/1, Evgeny Karandaev: 14/6, 90/5, EwaPix: 90/4, Fekete Tibor: 29/4, Feng Yu: 37/3, Fernando Gregory Milan : 87/8, Florea Marius Catalin: 100/2, Florence McGinn: 105/2, Floriano Rescigno: 52/6, Focus_on_Nature: 97/4, FreezeFrameStudio: 79/6, fuzzbones0: 118/7, Galina Ermolaeva: 110/3, Ganna Samars\'ka: 70/6, Gary Talton: 61/1, gaspr13: 47/5, George Bailey: 107/1, George Doyle: 30/4, 51/5, 51/7, 55/5, 95/3, 100/3, 103/3, 104/1, Gerald Zinnecker: 31/5, Gerenme: 28/2, Gert Vrey: 86/1, Ginosphotos: 69/2, Glenn Rose: 72/3, Grafvision: 102/3, Greg Randles: 79/10, Grimgram: 70/3, Grzegorz Petrykowski: 88/2, 101/2, Günay Mutlu: 67/3, Hemera Technologies: 9/10, 9/14, 22/4, 41/2, 87/1, 100/6, 103/4, Henk Badenhorst: 32/5, Ian Hubball: 88/3, igor terekhov: 41/3, Ints Tomsons: 28/6, Ionescu Bogdan Cristian: 28/10, Isabelle Limbach: 8/2, Ivan Ivanov: 40/3, Ivan Kmit: 63/5, Ivan Strba: 112/3, Ivanov Valeriy: 51/8, Ivonne WierinkvanWetten: 32/7, Jaap Hart: 10/4, Jacek Chabraszewski: 64/3, 64/4, Jacques Kloppers: 8/6, 108/8, james steidl: 13/5, 48/3, 89/5, Jami Garrison: 104/4, Javier Brosch: 3/4, Jeannette Meier Kamer: 48/1, Jim Parkin: 78/2, Joanne Ingate: 106/5, Joggie Botma: 28/5, John Foxx: 45/2, 80/3, 92/6, john saunders: 55/9, Jonathan Hill: 43/5, Jorge Casais: 49/5, Jorge Felix Costa: 81/1, Jorge Gonzalez: 103/1, José María Bouza Valverde: 22/2, JOSE TEJO: 87/4, Josef Muellek: 32/1, 32/2, Jupiterimages: 26/1, 28/1, 31/1, 34/6, 35/1, 36/2, 39/2, 40/1, 41/4, 52/1, 52/2, 52/3, 55/2, 55/3, 63/8, 70/8, 87/6, 90/1, 93/1, 93/7, 99/4, 103/7, 103/8, 103/9, 104/10, 104/2,