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Verwendung der Energieerhaltung bei schiefen Ebenen ohne Reibung

  1. In Kapitel 4 haben wir gelernt, warum in einem abgeschlossenen System, die Energie erhalten bleibt. In dieser Lektion werden wir die Energieerhaltung auf Aufgaben bezüglich der schiefen Ebene anwenden. Dabei werden wir die Reibungseffekte vernachlässigen. Folgende Begriffe und Größen musst du kennen:
      Kinetische und potenzielle Energie (Kapitel 4)
      Schiefe Ebene (Kapitel 3)
  2. Beispiel 1: Aufprallgeschwindigkeit beim Rutschen auf einer schiefen Ebene ohne Reibung
    Ein Objekt mit einer Masse von 100 [kg] rutscht auf einer schiefen Ebene (Neigungswinkel $\alpha = 30 \degree$) aus einer Höhe von $h=20 [m]$ hinunter. Mit welcher Geschwindigkeit $v$ kommt das Objekt unten an?

    Gegeben und gesucht:
    Die Starthöhe $h=20[m]$, der Neigungswinkel der schiefen Ebene $\alpha = 30 \degree$ und die Masse des Objekts $m=100 [kg]$ sind angegeben. Gesucht ist die Aufprallgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit unten am Fuß der schiefen Ebene ($h=0[m]$).

    Passende Formel:
    Oben hat das Objekt nur die potenzielle Energie $E_{pot}= mgh$
    Unten hat das Objekt nur die kinetische Energie $E_{kin}= \frac 12 m v^2$
    Die Energieerhaltung besagt, dass $E_{pot} = E_{kin}$. An dieser Stelle sind wir mit Physik fertig. Was jetzt folgt ist nur Mathematik und hat nichts mit Physik zu tun!
    Einsetzen der jeweiligen Formeln liefert $$mgh = \frac 12 m v^2$$ Gesucht ist ja die Geschwindigkeit $v$. Umformung der Gleichung nach $v$ liefert $$v=\sqrt {2gh}$$ Beachte, dass in dieser Gleichung weder die Masse $m$ noch der Neigungswinkel $\alpha$ vorkommt. Diese Angaben benötigen wir nicht.

    Berechnung:
    Einsetzen liefert $$\begin{aligned} v&= \sqrt {2gh} \\ &= \sqrt {2 \cdot 10 [m/s^2] \cdot 20 [m]} \\ &= \sqrt{400 [m^2/s^2]} \\ &= 20 [m/s] \end{aligned}$$
  3. An diesem Beispiel sieht man wieder, wie die Energieerhaltung die Berechnung vereinfacht. Obwohl es sich bei der Aufgabenstellung um eine schiefe Ebene handelt, benötigen wir keinerlei die trigonometrischen Funktionen.
  4. Nun schauen wir uns die Geschwindigkeit des Balls während des Falls an. Während des Falls wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, d. h. der Ball hat sowohl potenzielle als auch kinetische Energie.
  5. Beispiel 2: Geschwindigkeit während des Rutschens auf einer schiefen Ebene ohne Reibung
    Ein Objekt mit einer Masse von 100 [kg] rutscht auf einer schiefen Ebene (Neigungswinkel $\alpha = 30 \degree$) aus einer Höhe von $h=20 [m]$ hinunter. Welche Geschwindigkeit hat er, wenn er sich $5 [m]$ über dem Boden befindet?

    Gegeben und gesucht:
    Die Starthöhe $h=20[m]$, der Neigungswinkel der schiefen Ebene $\alpha = 30 \degree$ und die Masse des Objekts $m=100 [kg]$ sind angegeben. Gesucht ist seine Geschwindigkeit in einer Höhe von $h_1=5[m]$.

    Passende Formel:
    Oben hat das Objekt nur die potenzielle Energie $E_{pot0}= mgh_0$
    Unterwegs, d. h. bei der Höhe $h_1$ hat das Objekt sowohl die potenzielle Energie $E_{pot1}= mgh_1$ als auch die kinetische Energie $E_{kin}= \frac 12 m v^2$
    Die Energieerhaltung besagt, dass die Gesamtenergie zu jeder Zeit konstant bleibt, d.h. $E_{pot0} = E_{pot1}+E_{kin}$. An dieser Stelle sind wir mit Physik fertig. Was jetzt folgt ist nur Mathematik und hat nichts mit Physik zu tun!
    Einsetzen der jeweiligen Formeln liefert $$mgh_0 = mgh_1 + \frac 12 m v^2$$ Gesucht ist ja die Geschwindigkeit $v$. Nun formen wir die Gleichung nach $v$ um $$\begin{aligned} mgh_0 &= mgh_1 + \frac 12 m v^2 \\ gh_0 &= gh_1 + \frac 12 v^2 \\ \frac 12 v^2 &= gh_0 – gh_1 \\ v^2 &=2g(h_0 – h_1) \\ v &= \sqrt{2g(h_0 – h_1)} \end{aligned}$$ Beachte, dass in dieser Gleichung weder die Masse $m$ noch der Neigungswinkel $\alpha$ vorkommt. Diese Angaben benötigen wir nicht.
    Wenn du eine gute Note haben möchtest, solltest du in der Lage sein die obige Gleichung ohne Fehler umzuformen. Mein Vorschlag: üben, üben, üben.

    Berechnung:
    Einsetzen liefert $$\begin{aligned} v &= \sqrt{2g(h_0 – h_1)} \\ &= \sqrt {2 \cdot 10 [m/s^2] \cdot (20 [m] -5 [m])} \\ &= \sqrt{300 [m^2/s^2]} \\ &= 17,3 [m/s] \end{aligned}$$

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