Zentrifugalkraft Def?
Hallo,
ich habe eine Frage zu der Zentrifugalkraft, beziehungsweisse der Zentripetalkraft. Ich habe wirklich ganz viele verschiedene Sachen gelesen, deswegen, was ich so mitbekommen habe:
Die Zentripetalkraft ist die zum Zentrum hingerichtete Kraft, die den Geschwindigkeitsvektor ständig ändert. Jetzt zur ersten Frage, ich habe gelesen, dass die Aufgabe der Zentripetalkraft auch beispielsweise durch die Reibungskraft übernommen werden kann. Wie stellt man sich das vor? Angenommen, ich fahre in einem Kreis auf einem Motorrad, inwiefern "hält" mich dann diese Reibung im Kreis? Die Zentrifugalkraft ist eine Scheinkraft, die nur in beschleunigten Bezugssystemen existiert. Ich verstehe hierbei folgendes nicht: Man kann ja die Kreisbewegung aus einem Innertialsystem und einem beschleunigten Bezugssystem beurteilen. Im beschleunigten Bezugssystem fühlt man (obwohl eine Ruhelage ersichtlich ist), dass man rausgeschleudert wird -> Zentrifugalkraft. Jetzt bezogen auf den Aussenstehnden Beobachter: Würde dieser damit argumentieren, dass der Körper nach "außen" beschleunigt wird aufgrund der Trägheit? Wenn nein, was ist die Zentrifugalkraft sonst?
Die Zentrifugalkraft ist keine Wechselwirkungskraft der Zentripetalkraft, aber diese kompensiert diese auch nicht, oder? Falls doch, wieso fällt man dann in einem beschleunigten Karussel doch raus?
Was ist die Wechselwirkungskraft der Zentripetalkraft?
2 Antworten
Angenommen, ich fahre in einem Kreis auf einem Motorrad, inwiefern "hält" mich dann diese Reibung im Kreis
Gegenargument: Stelle dir mal vor du versuchst mit dem Motorrad auf einem (nahezu) Reibungsfreien Boden wie z.B. sehr glattem Eis im Kreis zu fahren. Dann rutscht du ja quasi einfach herum und schaffst es nicht auf der Kreisbahn zu bleiben, sondern rutscht radial geradlinig weg. Das ist es genau was die Reibung sonst macht, sie erlaubt es dir dich vom dem Untergrund wegzustoßen, um die Bewegungsrichtung zu ändern.
Jetzt bezogen auf den Aussenstehnden Beobachter: Würde dieser damit argumentieren, dass der Körper nach "außen" beschleunigt wird aufgrund der Trägheit?
Ja, absolut richtig! Das 1. Newton'sche Gesetz sagt, dass Körper sich aufgrund ihrer Trägheit bei sonstiger Abwesenheit einer äußeren Kraft einfach gradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegen. Wenn dich also nichts auf einen rotierenden Gegenstand hält, dann passiert genau das: Man bewegt sich geradlinig weiter, statt auf der Kreisbahn zu bleiben. Es braucht keine Kraft, um dies zu erklären. Vielmehr ist es das Gegenteil: Das was oft als Zentrifugalkraft bezeichnet wird ist eben genau das Fehlen einer Zentripetalkraft! Ich würde empfehlen in solchen Kontexten demnach von Zentrifugaleffekten zu sprechen statt einer Zentrifugalkraft.
Die Zentrifugalkraft ist keine Wechselwirkungskraft der Zentripetalkraft, aber diese kompensiert diese auch nicht, oder?
Es ist eben keine Kraft und deswegen ist es auch etwas gefährlich sie bei solchen Überlegungen trotzdem als Kraft zu behandeln. Die Wechselwirkungs- (bzw. Reaktions-)Kraft der Zentripetalkraft ist die Trägheit des beschleunigten Körpers. Wenn du im Karussell sitzt ist die Zentripetalkraft die, die dich von außen nach innen drückt, sodass du auf der Kreisbahn bleibst. Die Reaktionskraft ist die, die du von innen auf das Karussell nach außen ausübst, weil dein Körper sich lieber geradeaus statt kreisförmig bewegen möchte und deswegen dieser Bewegung Widerstand leistet.
Wirkt die Zentrifugalkraft wirklich nach außen oder tangential?
Sie "wirkt" gar nicht. Der Effekt den man damit verbindet ist die gradlinige Bewegung des im Kreis beschleunigten Körpers. Deine natürliche Bewegung ist also tangential zum Mittelpunkt (wenn es keine Zentripetalkraft gibt). Wenn du aber durch Reibung oder sonstige Zentripetalkräfte auf einer Kreisbahn bleibst, wirkt die Zentripetalkraft und damit auch die durch Trägheit induzierte Gegenkraft radial zum Mittelpunkt. Diese in dem Fall nach außen wirkende Kraft ist aber eine reine Auswirkung der Zentripetalkraft und keine eigene Kraft, die irgendwie aufgrund der Kreisbewegung wirkt.
Die Zentrifugalkraft ist also letztendlich die geradlinige Bewegung nach außen?
Quasi. Auf einer rotierenden Scheibe sieht es für dich als Beobachter halt so aus, als würdest du vom Zentrum weggezogen werden. Dabei passiert das aber nicht, da du einfach der Trägheit deines Körpers folgst. Zu keiner Zeit wirkt aber eine extra Kraft auf dich, die dich vom Mittelpunkt wegzieht.
Und wie stellt man sich das mit der Wechselwirkung vor?
Das ist einfach das 3. Newton'sche Gesetz. Actio=Reactio. Wenn es eine Kraft gibt, dann erfährt die Ursache immer eine entsprechende Gegenkraft. Egal was dich auf einer Kreisbahn zwingt (ein Sitz, Reibung am Rad, ein Seil, etc.), es muss immer entgegen deiner Trägheit arbeiten und erfährt selber auch eine Kraft dadurch in die Gegenrichtung. Wenn du ein schweres Gewicht mit einem Seil im Kreis schleuderst, kann es genau deswegen passieren, dass das Seil reißt. Es hält irgendwann nicht mehr die Trägheit des Gewichtes aus, weil die Kräfte zu groß werden. Von dem Seil aus gesehen wirkt eine Kraft nach außen, weil das Gewicht daran zieht. Die Wechselwirkung steckt in der Ursache der Kreisbewegung.
Und genau dazu habe ich zwei Fragen: Das dritte Axiom sagt ja aus, dass es eine Gegenkraft auf Körper B gibt. Jetzt bezogen zur Kreisbwegung durch ein Seil. Eine Person dreht das Seil und hält es. Es zieht bzw hält den Körper also indirekt in Bewegung. Der körper "zieht den fliegenden körper zu sich, dann muss ja gemäß des dritten newtonschen Axioms dieser fliegender körper den Körper im Mittelpunkt ebenfalls anziehen, oder?
zweite Frage. Nehmen wir an ich soll die Reisfestigkeit einer Schnur in einer Kreisbewegung berechnen.
Wenn der Körper ganz oben ist, so muss ja rein theortetisch die Zentripetalkraft entgegen der Gewichtskraft wirkten, damit der Körper wirklich oben bleibt. Ganz unten jedoch, muss es doch genauso sein. Weil ich habe gesehen, dass man sagt dass dann die Zentripetal(fugal)kraft und die Gewichtskraft nach unten wirkt. damit aber die Kreisbewegung auch am untersten Punkt gelingen kann, muss doch die ZEntripetalkraft auch hier gegen die Gewichtskraft arbeiten, oder was verstehe ich hierbei falsch?
Der körper "zieht den fliegenden körper zu sich, dann muss ja gemäß des dritten newtonschen Axioms dieser fliegender körper den Körper im Mittelpunkt ebenfalls anziehen, oder?
Ja klar, das stimmt schon. Die Kraft die das Seil aushalten muss um den Körper auf der Bahn zu halten wird übertragen an den Punkt woran das Seil befestigt ist. Wenn es also eine Person hält, dann spürt die Person diese Kraft auch. Das Seil wirkt in dem Fall ja quasi wie eine Verlängerung der Kraftwirkung. Der Betrag und Richtung der Kraft bleibt gleich.
Wenn der Körper ganz oben ist, so muss ja rein theortetisch die Zentripetalkraft entgegen der Gewichtskraft wirkten
Nein, es muss nur eine Zentripetalkraft geben. Was passiert ist, dass die Zentripetalkraft am oberen Punkt teilweise oder vollständig von der Schwerkraft geleistet wird. Die Schwerkraft übernimmt dann also (teilweise) die Rolle der Zentripetalkraft, genauso wie z.B. die Reibung bei einer Kreisbahn von einem Fahrrad, Auto, etc.
damit aber die Kreisbewegung auch am untersten Punkt gelingen kann, muss doch die Zentripetalkraft auch hier gegen die Gewichtskraft arbeiten
Am unteren Punkt brauchst du ebenfalls einfach nur eine Zentriptalkraft, d.h. da jetzt die Schwerkraft nach unten zeigt, muss es eine andere Kraft geben, die nicht nur die Schwerkraft kompensiert, sondern sogar noch den Beitrag der Zentripetalkraft dazu leistet. Wenn du also ein Seil nutzt für die Kreisbewegung wird es an diesem Punkt maximal belastet sein und die meiste Kraft aufnehmen.
Kräfte sind ja das, was die Bewegung eines Körpers vorgibt. Wenn du also eine Kreisbewegung mit festem Radius und konstante Geschwindigkeit haben möchtest, dann muss immer zu jeder Zeit eine konstante, gleichbleibende Zentripetalkraft wirken. Aus welchen Kräften die besteht ist nicht wichtig.
Genau. Aber am untersten Punkt des Seils muss ja eine Kraft entegegen der Gewichtskraft wirken (sonst würde die Kreisbewegung ja nicht stattfinden). Trotzdem lese ich häufig, dass die Belastunf unten durch Zentrifugal + Gewichtskraft (oder 2mg) beschrieben werden kann. Interessant ist auch, dass die Leute so argumentieren, dass die sagen, dass man vom Bezugssystem aus schauen muss. d.h, dass man in einem mitrotierenden System ja zusätzlich die Zentrifugalkraft erfährtt, wodurch der oben benannte Ausdruck abgeleitet werden kann. Jedoch gibt es diese Scheinkraft in diesem SInne nicht und deswegen finde ich diese Art der Argumentation schwer.
Also genau 2mg bestimmt nicht im Allgemeinen. Das Seil erfährt natürlich schon eine höhere Belastung, nämlich (wie üblich) durch Trägheit (was dann wohl fälschlicherweise als Zentrifugalkraft beschrieben wird) und die Schwerkraft des Körpers. Die Kraft aufgrund der Trägheit hängt aber von Radius und Geschwindigkeit der Kreisbahn ab, weswegen es niemals sein kann dass so was einfaches wie 2mg entsteht (nur in ganz bestimmten Spezialfällen). Der genaue Ausdruck am untersten Punkt für die Kraft im Seil ist
F = v^2/l + m*g
wobei v die Bahngeschwindigkeit des Körpers ist und l die Länge vom Seil. Das gilt unabhängig von jeglichem Bezugssystem
wie genau kommst du auf den Ausdruck und wieso war/ ist mein Gedanke falsch?
Der erste Term ist einfach die Formel für die Zentripetalkraft, die am unteren Punkt (wie sonst auch überall) wirken muss. Ich sehe gerade aber, dass ich ein m vergessen habe, es sollte m*v^2/l sein. Der zweite Term ist die Schwerkraft des Körpers. Beide Kräfte müssen vom Seil übernommen werden, deswegen ein "+".
Dein Gedanke ist nicht wirklich falsch, ich mag die Verwendung von Zentrifugalkraft einfach nicht.
Trotzdem lese ich häufig, dass die Belastunf unten durch Zentrifugal + Gewichtskraft beschrieben werden kann.
Das beschreibt genau das was ich auch geschrieben habe. Das was du hier "Zentrifugalkraft" nennst ist bei mir einfach die Gegenkraft zur Zentripetalkraft, die im Seil wirken muss (und damit auch nach außen zeigt). Sie wirkt halt bloß im Seil und nicht auf den Körper.
nochmal genau dazu: wenn sich mein Körper unten befindet, so wird auf das Seil eine Kraft von m x g ausgeübt, beziehungsweise muss das Seil dieser Kraft aufbringen, damit das Seil nicht reißt, beziehungsweise der Körper nicht durchfällt. Das bedeutet ja also. Das das Seil genau entgegen der Gewichtskraft arbeiten muss, damit die weitere Kreisbewegung ermöglicht werden kann. Wieso also, muss das Seil jetzt beide Kräfte aushalten, das verwirrt mich. Es muss ja genau eine Kraft aufbringen eigentlich, die die Gewichtskraft in diesem SInne kompensiert?
Wenn es nur die Gewichtskraft kompensiert, aber sonst nichts, bewegt sich der Körper nicht bzw. bewegt sich gradlinig mit konstanter Geschwindigkeit (Newton 1. Axiom). Für eine Kreisbewegung braucht man ja aber die passende Zentripetalkraft als Gesamtkraft auf den Körper. D.h. die Gewichtskraft muss kompensiert werden aber zusätzlich muss dann noch die Kraft wirken, die den Körper “um die Kurve” zieht, damit die Kreisbewegung entsteht: Die Zentripetalkraft.
Okay sehr interessant. Und wieso soll man dann oben nicht diesselbe Kraft wir unten haben? Ich muss der Gewichtskraft ganz oben entgegenwirken. Aber kompensieren reicht nicht (da wie du gesagt hast der Körper sich sonst weiterhin geradlinig bewegt). Es muss ja also eine Kraft geben die etwas größer als die Gewichtskraft ist, um die Kreisbewegung zu ermöglichen. Dasselbe gilt für ganz unten, oder nicht: Die Zentripetalkraft muss doch nur etwas größer sein um die Kreisbewegung zu ermöglichen.
Ich finds wirklivh spannend und wäre über eine Antwort diesbezüglich sehr glücklich.
Der Unterschied ist die Kraftrichtung. Die Zentripetalkraft soll zum Kreismittelpunkt zeigen. Im unteren Punkt zeigt die Schwerkraft nach unten, aber die Zentripetalkraft soll nach oben zeigen (zum Mittelpunkt der Kreisbahn). Demnach muss die Gewichtskraft kompensiert werden und zusätzlich dieser Kraftbeitrag nach oben geleistet werden.
Am oberen Punkt wirkt die Schwerkraft aber bereits nach unten, wobei die benötigte Zentripetalkraft auch nach unten zeigen soll. D.h. die Schwerkraft übernimmt bereits einen Teil zur Zentripetalkraft und das Seil muss evtl. nur noch einen kleinen Kraftbeitrag leisten um die benötigte Gesamtkraft zu erreichen. Das ist nur nötig, falls der Körper "schneller ist als er Schwer ist". Falls die Geschwindigkeit zu klein ist, dann erreicht der Körper den Höhepunkt nie, da er vorher durch die Schwerkraft einfach fallen würde, statt der Kreisbahn zu folgen.
Verstehe und wieso muss es unten genau der Betrag der Zentripetalkraft und nicht bisschen mehr sein?
Wenn du genau die Zentripetalkraft leistest wird es eine Kreisbahn. Wenn du weniger leistest wird es entweder eine grössere Kreisbahn, oder eine horizontale Ellipse (je nachdem wie die Kraft weiter wirkt).
Ist es mehr als die Zentripetalkraft wird es entweder eine kleinere Kreisbahn oder eine senkrechte Ellipse (je nachdem wie die Kraft weiter wirkt).
Es ist die seitliche Haftreibung zwischen Strasse und Rad, welche das Rad in einer Kurve hält und am Wegrutschen hindert.
Der aussenstehende Beobachter muss eine Kraft annehmen, wenn er sieht, dass sich etwas entgegen der Trägheitsannahme nicht gleichförmig gradlinig bewegt. Bei einer Kreisbewegung ist das die Zentripetalkraft.
Die Zentrifugalkraft wird oft als Scheinkraft bezeichnet.
Denn für den aussenstehenden Beobachter existiert sie nicht (sonst müsste der Gegenstand ja radial wegfliegen; bei Fehlen der Zentripetalkraft fliegt man aber tangential weg!
Und für den Beobachter im beschleunigten System (also auf dem drehenden Karussell) ist sie sehr wohl die Gegenkraft zur (für ihn nicht erkennbaren) Zentripetalkraft, denn er glaubt ja, sie "ziehe" ihn radial nach aussen, was ja eben nicht stimmt.
Und wenn er vom Karussell fliegt, verschwinden beide Kräfte gleichzeitig!
Vielleicht helfen dier auch noch diese Erklärungen:
https://www.leifiphysik.de/mechanik/kreisbewegung/ausblick/zentrifugalkraft
Hey,
Vielen Dank.
Wirkt die Zentrifugalkraft wirklich nach außen oder tangential? Die Zentrifugalkraft ist also letztendlich die geradlinige Bewegung nach außen? Und wie stellt man sich das mit der Wechselwirkung vor, die Zentripetalkraft (der Mittelpunkt) zeiht mich an und ich ihn?