Bremskraft ermitteln?
Ein Stein 1kg wir aus einem Meter Höhe fallen gelassen g=10m/s^2
damit besitzt er die Energie 10J jetzt fällt er auf den Boden der Bremsweg Betrage 1mm.
Die bremsbeschleunigung wäre damit ja a=gh\s=10m/s^21m/0,001m=10.000m/s^2
die Kraft die der Boden damit zum bremsen aufbringen muss wäre damit ja 10.000N.
Meine Frage klingt vielleicht etwas suspekt aber: woher weiß der Boden wie viel Kraft er aufbringen muss? Denn die Kraft hängt ja auch vom Bremsweg ab und den „weiß“ der Boden ja nicht. Also wie läuft das mit der Kraft ab?
4 Antworten
Recherisch ja. Da macht es überhaupt keinen Unterschied was du weißt.
In echt misst du aber wahrscheinlich den Weg und schließt daraus auf die Kraft. Weißt du die Kraft geht es aber auch umgekehrt.
den „weiß“ der Boden ja nicht.
Braucht er auch nicht zu wissen. Es genügt wenn du weißt, wie man mit den Vorgaben umgeht und eventuell diese bewertest.
Also die Antwort ist, bei oberflächlicher Betrachtung, das 3. Newtonsche Axiom. Actio=Reactio.
Es geht aber auch ausführlicher. Wenn ein Bremsweg von 1 mm angenommen wird ist das ganze schon mal nicht instantan. Was tatsächlich passiert hängt davon ab wo es passiert. Also fällt der Gegenstand auf ein Metall, durch ein Gas, auf etwas gefrorenes, ein Fluid, etc.. Je nachdem wirken unterschiedliche Kräfte.
Trifft der fallen gelassene Stein auf ein Material, wird er an oberster Stelle des Materials Teilchen zusammendrücken. Dadurch, dass die Teilchen zusammengedrückt werden, verengt sich der Zwischenraum. Jetzt wirken Kräfte. Zum Beispiel werden Ionen durch die Coulombkraft auseinandergedrückt. Diese Kraft wird mit zunehmender Entfernung aber deutlich schwächer (um genau zu sein fällt sie mit 1/r^2 ab). Aber kommen die Teilchen sehr nahe, wird die Kraft sehr stark. Das kann man sich ähnlich wie bei einer Feder vorstellen. Ist die Feder entspannt wirkt keine Kraft. Lasse ich einen Gegenstand auf die Feder fallen, komprimiert sich diese immer weiter. Irgendwann ist die Kraft der Feder größer als die des Steins. Nur, dass die "Feder" in den meisten Materialien sich danach nicht wieder in ihren Urpsrungszustand entfalten wird. Es gibt aber auch Ausnahmen z.B. das Polymer in einem Flummi. Welche Kraft tatsächlich wirkt, ist wie bereits gesagt materialabh"angig. Auch das Verformen ist nicht gleich. Elastische Materialien, können nach einem Stoß, wie beim Flummi, wieder in ihren Ursprungszustand zurückkehren. Trifft der Stein aber z.B. auf einen poröses Material, wird dieses zerbrechen. In dem Fall "nimmt" der Stein die Bindungsenergie des Materials zum Bremsen. Das passiert unter anderem deshalb weil sich die Atome und Moleküle eines Materials in Gittern anordnen können. Werden Teile des Gitters zu weit verschoben "brechen" diese Teile auseinander. In dem Aufbau des Gitters war jedoch Energie, die sogenannte Bindungsenergie. Die hat der Stein aufgenommen.
Damit ist implizit auch der 2. Teil deiner Frage beantwortet. Der Bremsweg ist meist nicht vorher bekannt. Es wirken während des Prozesses verschiedenste Kräfte und bringen den Stein zum Stoppen. Wie lange das dauert und wie weit sich der Stein nach Beginn des Prozesses noch bewegt, lässt sich in echt meistens nur experimentell bestimmen.
Das ganze ist natürlich wesentlich komplizierter. Insbesondere ist das Verhalten von Festkörpern ein komplett anderes als von Gasen oder Fluiden und auch diese haben je nach Zusammensetzung komplett andere Eigenschaften. Einen Gummi fallen zu lassen ist was anderes als Porzellan fallen zu lassen.
Kommt drauf an. Wenns um den Stein geht wahrscheinlich ja. Wobei das meistens zeit und wegabhängige Prozesse sind. Also wenn der Stein Auftritt wirkt wahrscheinlich sehr wenig Kraft und wenn der Stein bei 0.9 mm ist wirkt sehr viel Kraft. Aber die durchschnittlich wirkende Kraft wäre 10kN. Im Ergebnis macht das natürlich bei dem Beispiel keinen Unterschied. Das merkt man auch wenn man irgendwas in echt zusammen drückt. Wenn ich z.B. ein Kissen zusammendrücke werde ich erst am Schluss erheblichen Widerstand spüren.
Des öfteren ist auch die Kraft statt dem Weg bekannt. Bei Zügen die mit einer Wirbelstrombremse bremsen weiß man, abhängig von der Geschwindigkeit, die momentane Bremskraft und kann daraus den Bremsweg bestimmen. Das gilt natürlich auch für andere Vehikel. Bei einer Feder gibt die Federkonstante die Kraft pro Strecke an beim Zusammendrücken. Daraus kann man auch bestimmen wie weit sich die Feder eindrückt wenn man eine Kraft wirken lässt.
Ja ok verstehe aber woher weiß der Boden dann mit welcher Kraft er bremsen muss?
Der Boden "weiß" nichts. Beim Auftreffen auf den Boden wirken verschiedenste Kräfte auf den Stein. Die wirken eben genau so dass er nach 1 mm stehen bleibt. Du beobachtest eben genau dieses Verhalten und kannst deshalb darauf schließen, dass 10 kN gewirkt haben müssen. Das ist aber deine Beobachtung und nicht die Ursache. Würde der Boden mit mehr oder weniger Kraft "bremsen" wäre der Weg dementsprechend länger werden. Die Ursache hier ist nicht der Weg sondern der Boden.
Also quasi kann man es von beiden Seiten sehen? Weiß ich die Kraft kann ich den Weg bestimmen und weiß ich den Weg kann ich ich die Kraft erfassen?
Ich hab falsch geantwortet, mein Kommentar ist jetzt eine neue Antwort auf die Frage. Aber ja.
3. Newtonsche Axiom: Kraft auf einen Gegenstand bringt immer eine genau gleich große Kraft von diesem Gegenstand in vektorial entgegengesetzter Richtung auf.
Ja aber woher weiß man die Kraft die der Stein ausübt?
also ich meine die Bremskraft ist ja deutlich größer als die gewichtskraft
Also würde man sagen man stellt experimentell fest das der Bremsweg 1mm ist und wenn dem so ist dann muss eine Kraft von 10000N gewirkt haben?