Stell dir vor, du fährst mit deinem Ruderboot auf dem Fluss und näherst dich einem Wasserfall. Leider hast du versäumt, rechtzeitig umzudrehen, und musst nun mitansehen, wie dein Boot, dein Hut, deine Angelrute und du selbst hinabstürzen. Auch das Wasser fällt. Aber welche dieser Dinge erreicht zuerst den Boden? Anders ausgedrückt: Wird es dir gelingen, den Wasserfall fallend zu überholen?
Die Antwort lautet nein – alle Körper fallen gleich schnell. Dieses Fallgesetz wurde von Galileo Galilei wissenschaftlich formuliert. Im Alltag sehen wir dieses Gesetz jedoch selten, da der Luftwiderstand den Fall der Objekte beeinflusst. Daher fallen unterschiedliche Objekte tatsächlich unterschiedlich schnell. Nur wenn sie die gleiche Form haben und somit den gleichen Luftwiderstand aufweisen, fallen sie scheinbar gleich schnell. Du wirst also nicht in der Lage sein, den Wasserfall fallend zu überholen.
Unter “Idealbedingungen” – was vermutlich nicht deine Idealbedingungen sind, jedoch in der Physik den Zustand ohne Störeinflüsse beschreibt – würden das Boot, die Angelrute, dein Hut und du selbst gleichzeitig mit dem umgebenden Wasser am unteren Ende des Wasserfalls ankommen. Du wirst also den Wasserfall nicht fallend überholen können. Auf dem Mond fällt eine Feder genauso schnell wie ein Hammer. Das Fallgesetz ist hier besonders gut sichtbar, da es keinen Luftwiderstand gibt. Allerdings hat dies nur der Astronaut gesehen, der das Experiment durchgeführt hat.
Was ist Geschwindigkeit?
Die Geschwindigkeit misst, wie schnell sich ein Objekt an einem bestimmten Ort bewegt. Wie weit legt das Objekt in einer bestimmten Zeit zurück? Wenn das Objekt ruht, beträgt die Geschwindigkeit null.
Berechnung der Geschwindigkeit:
v = s / t
v … Geschwindigkeit
s … Weg
t … Zeit
Diese Formel gilt für gleichförmige Bewegungen, bei denen sich die Geschwindigkeit nicht ändert, beispielsweise auf einer Autobahnfahrt oder bei der Berechnung des Durchschnittstempos einer Fahrt von Wien nach Salzburg. Es gibt auch die Momentangeschwindigkeit, die vom Tachometer angezeigt wird.
Was ist Beschleunigung?
Die Beschleunigung misst, wie schnell sich die momentane Geschwindigkeit eines Objekts ändert. Wie ändert sich die Geschwindigkeit in einer bestimmten Zeit? Wenn die Geschwindigkeit unverändert bleibt, beträgt die Beschleunigung null.
Berechnung der Beschleunigung:
a = v / t
a … Beschleunigung
v … Geschwindigkeitsänderung
t … Zeit
Diese Formel gilt für gleichmäßig beschleunigte Bewegungen, bei denen sich die Beschleunigung nicht ändert oder wenn eine Durchschnittsbeschleunigung berechnet werden soll.
Welche Bewegungsarten gibt es?
Die einfachste Form der Bewegung ist die gleichförmige geradlinige Bewegung, bei der sich die Geschwindigkeit nicht ändert. Komplizierter wird es, wenn es eine Beschleunigung gibt und sich die Geschwindigkeit ändert. Bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung bleibt die Beschleunigung konstant, während sie sich beim freien Fall nicht ändert.
Woher kommt eine Beschleunigung?
Eine Beschleunigung ist immer das Ergebnis einer Kraft. Kraft wird physikalisch als etwas definiert, das auf eine Masse wirkt und eine Beschleunigung verursacht. Je größer die Masse, desto geringer ist die erreichte Beschleunigung bei Auftreten der Kraft.
Kraft: Das zweite Newtonsche Axiom
F = m * a
F … Kraft
m … Masse
a … Beschleunigung
Diese Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung. Sie gilt immer dann, wenn sich die Geschwindigkeit eines Körpers verändert und die Ursache für die Beschleunigung eine Kraft ist.
Gibt es spezielle Beschleunigungen?
Die meisten Beschleunigungen ändern sich im Laufe der Zeit, wie zum Beispiel beim Auto je nach Motordrehzahl. Eine bemerkenswert gleichmäßige Beschleunigung ist jedoch die Erdbeschleunigung. Sie zieht alle Objekte mit einer Beschleunigung von 9,81 m/s² an und erhöht somit die Geschwindigkeit jedes Objekts um 9,81 m/s pro Sekunde.
Wo und wie wirkt die Gravitationskraft?
Die Gravitationskraft wirkt zwischen zwei oder mehreren Massen und hat eine unendliche Reichweite. Sie nimmt ab, je weiter die Massen voneinander entfernt sind. Schwerelosigkeit herrscht nur dort, wo sich die Anziehungskraft von Mond und Erde genau aufhebt.
Wegberechnung beim freien Fall: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung
s = a/2 * t²
s … Weg
a … Beschleunigung (9,81 m/s²)
t … Zeit
Da sich bei einer beschleunigten Bewegung die Geschwindigkeit kontinuierlich erhöht, wird auch pro Sekunde ein immer größerer Weg zurückgelegt. Das Berechnen des Gesamtwegs könnte daher recht schwierig sein, aber diese Formel erledigt das elegant für dich. Sie ist das Ergebnis der Integralrechnung.
Wie ist das mit dem Fallgesetz?
Die Geschwindigkeit eines fallenden Objekts nimmt pro Sekunde um 9,81 m/s zu, unabhängig von seiner Masse. Das bedeutet, dass alle Körper gleich schnell fallen. In der Realität wird das Fallgesetz jedoch durch den Luftwiderstand beeinflusst, der von der Form des fallenden Objekts und der erreichten Geschwindigkeit abhängt. Theoretisch kann das Fallgesetz nur im Vakuum, also ohne Luftwiderstand, beobachtet werden.
Was hat Galileo Galilei mit dieser Frage zu tun?
Galileo Galilei führte Experimente mit Kugeln aus verschiedenen Materialien auf einer schiefen Ebene durch, um das Fallgesetz zu erforschen. Senkrecht fallende Körper sind zu schwer zu beobachten, daher nutzte er diese Versuchsanordnung. Galileo Galilei war einer der Wissenschaftler, die Experimente systematisch durchführten und Theorie von Experiment trennten.
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Quellen:
