Stoßvorgänge - Physik


Stoßvorgänge - Physik
Stoßvorgänge - Physik
Einleitung
Bei einem Stoßvorgang wirken zwei oder mehr Körper für kurze Zeit stark aufeinander ein. Dabei ändern sich ihre Geschwindigkeiten, manchmal auch ihre Form. Beispiele sind Billardkugeln, Autos bei einem Unfall, Bälle oder Teilchen in der Atomphysik.
Für die Beschreibung sind vor allem Impuls, Impulserhaltungssatz und Kinetische Energie wichtig. Du lernst, Stoßarten zu unterscheiden, einfache Rechnungen durchzuführen und Anwendungen im Alltag zu erklären.
Lernziele
Du kannst nach der Bearbeitung dieses aiMOOCs:
- Impuls als Produkt aus Masse und Geschwindigkeit erklären und berechnen.
- Impulserhaltung auf Stoßvorgänge anwenden.
- elastische, unelastische und vollkommen unelastische Stöße unterscheiden.
- Bewegungsrichtungen mit Vorzeichen oder Vektoren berücksichtigen.
- die Bedeutung von Stoßdauer, Verformung und Sicherheit erklären.
Grundlagen
Der Impuls
Der Impuls beschreibt den Bewegungszustand eines Körpers. Er hängt von der Masse und von der Geschwindigkeit ab:
Dabei ist die Masse in Kilogramm, die Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde und der Impuls. Die Einheit lautet:
Der Impuls ist eine Vektorgröße. Er besitzt also einen Betrag und eine Richtung. Bei geradlinigen Aufgaben kannst Du eine Richtung als positiv und die Gegenrichtung als negativ festlegen.
Beispiel: Ein Wagen mit fährt mit nach rechts.
Fährt der Wagen nach links und ist rechts als positive Richtung gewählt, lautet seine Geschwindigkeit und sein Impuls ist negativ.

Kraftstoß und Stoßdauer
Eine Kraft, die während einer Zeitspanne wirkt, verändert den Impuls:
Für eine veränderliche Kraft gilt genauer:
Der Kraftstoß entspricht der Fläche unter einem Kraft-Zeit-Diagramm. Bleibt die Impulsänderung gleich, führt eine längere Stoßdauer zu einer kleineren mittleren Kraft:
Darauf beruhen Knautschzonen, Airbags, Matten beim Hochsprung und das Abrollen nach einem Sprung.

Impulserhaltung
In einem mechanisch abgeschlossenen System ist der Gesamtimpuls konstant. Während des Stoßes wirken zwar große innere Kräfte, aber die Stoßpartner üben nach dem Wechselwirkungsprinzip gleich große, entgegengesetzte Kräfte aufeinander aus.
Für zwei Körper auf einer Geraden gilt:
Die Striche kennzeichnen die Geschwindigkeiten nach dem Stoß. Äußere Kräfte wie Reibung dürfen während der kurzen Stoßzeit entweder vernachlässigbar sein oder müssen in die Betrachtung einbezogen werden.

Merksatz: Der Gesamtimpuls bleibt bei jedem Stoß in einem abgeschlossenen System erhalten. Die kinetische Energie bleibt dagegen nur beim ideal elastischen Stoß erhalten.
Stoßarten
Elastischer Stoß
Beim ideal elastischen Stoß bleiben Gesamtimpuls und gesamte kinetische Energie erhalten:
Die Körper trennen sich nach dem Stoß wieder. Annäherungen findest Du bei Stahlkugeln, Luftkissengleitern oder Billardkugeln. Ein ideal elastischer Stoß ist bei Alltagskörpern ein Modell.

Sonderfall gleicher Massen: Trifft ein Körper elastisch und zentral auf einen gleich schweren ruhenden Körper, werden die Geschwindigkeiten ausgetauscht. Der erste Körper kommt näherungsweise zur Ruhe, der zweite bewegt sich weiter.
Unelastischer und vollkommen unelastischer Stoß
Beim unelastischen Stoß bleibt der Gesamtimpuls erhalten, aber ein Teil der kinetischen Energie wird in innere Energie umgewandelt, zum Beispiel in Wärme, Schall oder Verformung.
Beim vollkommen unelastischen Stoß haften die Körper nach dem Stoß zusammen und bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit weiter:
Daraus folgt:

Reale Stöße und Stoßzahl
Reale Stöße liegen meist zwischen den idealen Grenzfällen. Die Stoßzahl oder der Restitutionskoeffizient beschreibt, wie stark zwei Körper zurückprallen:
Für einen geradlinigen zentralen Stoß kann geschrieben werden:
Für passive Stoßpartner gilt im Schulmodell meist . Bei ist der Stoß ideal elastisch, bei vollkommen unelastisch.
Zentrale und nicht zentrale Stöße
Zentraler Stoß
Bei einem zentralen Stoß liegen die Geschwindigkeiten der Schwerpunkte auf derselben Stoßlinie. Das Problem lässt sich eindimensional behandeln. Eine klare Vorzeichenregel ist entscheidend.
Vorgehen bei Rechnungen:
- Lege eine positive Richtung fest.
- Trage Massen und Geschwindigkeiten mit Vorzeichen ein.
- Stelle die Impulserhaltung auf.
- Ergänze beim elastischen Stoß die Erhaltung der kinetischen Energie.
- Prüfe Einheit, Richtung und Plausibilität des Ergebnisses.
Nicht zentraler Stoß
Bei einem nicht zentralen Stoß bewegen sich die Körper nach dem Stoß in unterschiedliche Richtungen. Dann muss der Impuls als Vektor betrachtet werden:
Die Impulserhaltung gilt getrennt für jede Raumrichtung:

Beispielrechnungen
Vollkommen unelastischer Stoß
Ein Wagen mit fährt mit nach rechts. Er stößt auf einen ruhenden Wagen mit . Beide bleiben zusammen.
Beide Wagen bewegen sich nach rechts weiter.
Vor dem Stoß beträgt die kinetische Energie:
Nach dem Stoß:
Die Differenz von wurde in andere Energieformen umgewandelt.
Elastischer Stoß gleicher Massen
Ein Wagen mit und trifft zentral und elastisch auf einen gleich schweren ruhenden Wagen. Bei gleichen Massen werden die Geschwindigkeiten ausgetauscht:
Impuls und kinetische Energie sind vor und nach dem Stoß gleich groß.
Anwendungen
Kugelstoßpendel
Das Kugelstoßpendel zeigt die Übertragung von Impuls und Energie. Wird eine Kugel ausgelenkt, bewegt sich nach dem Stoß häufig die Kugel am anderen Ende. Das reale Pendel verliert jedoch Energie durch Schall, Reibung und Verformung.
Verkehrssicherheit
Bei einem Unfall muss sich der Impuls der Insassen ändern. Sicherheitsgurte, Airbags und Knautschzonen vergrößern die Abbremszeit und senken dadurch die mittlere Kraft. Sie verhindern nicht die Impulsänderung, sondern machen sie weniger abrupt.
Ballistisches Pendel
Beim ballistischen Pendel bleibt ein Projektil in einem Pendelkörper stecken. Zuerst wird die Geschwindigkeit direkt nach dem vollkommen unelastischen Stoß mit Impulserhaltung bestimmt. Danach wird die Steighöhe mit Energieerhaltung untersucht. Die beiden Erhaltungssätze gelten dabei in unterschiedlichen Phasen.

Doppelball und Sport
Beim Doppelball-Versuch werden zwei verschieden große Bälle übereinander fallen gelassen. Durch mehrere schnelle Stoßvorgänge kann der obere, leichte Ball besonders hoch springen. Im Sport helfen Impuls und Kraftstoß außerdem beim Verständnis von Schlägen, Würfen, Landungen und Fangbewegungen.
Typische Fehler
- Impuls und Energie: Impuls und kinetische Energie sind nicht dasselbe.
- Vorzeichen: Eine Bewegung entgegen der gewählten positiven Richtung erhält ein negatives Vorzeichen.
- Systemgrenze: Impulserhaltung gilt nur für ein abgeschlossenes oder während der Stoßzeit näherungsweise abgeschlossenes System.
- Unelastischer Stoß: Kinetische Energie verschwindet nicht, sondern wird in andere Energieformen umgewandelt.
- Kraftstoß: Eine längere Abbremszeit kann die Kraft verkleinern, obwohl die Impulsänderung gleich bleibt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wie wird der Impuls eines Körpers berechnet? (Masse mal Geschwindigkeit) (!Masse geteilt durch Geschwindigkeit) (!Kraft mal Weg) (!Masse mal Beschleunigung)
Welche Größe bleibt in einem abgeschlossenen System bei jedem Stoß erhalten? (Der Gesamtimpuls) (!Die Geschwindigkeit jedes Körpers) (!Die kinetische Energie jedes Körpers) (!Die Bewegungsrichtung jedes Körpers)
Was gilt zusätzlich beim ideal elastischen Stoß? (Die gesamte kinetische Energie bleibt erhalten) (!Die Körper bleiben zusammen) (!Die Stoßzeit ist unendlich) (!Alle Körper kommen zur Ruhe)
Was geschieht beim vollkommen unelastischen Stoß? (Die Körper bewegen sich nach dem Stoß gemeinsam) (!Die Körper tauschen immer ihre Geschwindigkeiten) (!Die kinetische Energie bleibt vollständig erhalten) (!Der Gesamtimpuls wird null)
Warum verringert ein Airbag die mittlere Kraft auf eine Person? (Er verlängert die Abbremszeit) (!Er vergrößert die Masse der Person) (!Er verhindert jede Impulsänderung) (!Er erhöht die Aufprallgeschwindigkeit)
Welche Einheit hat der Impuls? (Kilogramm Meter pro Sekunde) (!Kilogramm pro Meter) (!Newton pro Sekunde) (!Joule pro Meter)
Was bedeutet ein negatives Vorzeichen bei einer Geschwindigkeit? (Die Bewegung erfolgt entgegen der festgelegten positiven Richtung) (!Der Körper besitzt eine negative Masse) (!Die kinetische Energie ist negativ) (!Der Körper bewegt sich nicht)
Welche Aussage beschreibt einen nicht zentralen Stoß? (Die Impulse müssen vektoriell in mehreren Richtungen betrachtet werden) (!Alle Bewegungen liegen immer auf einer Geraden) (!Die Körper müssen nach dem Stoß zusammenkleben) (!Die Impulserhaltung gilt nicht)
Welche Energieform kann bei einem unelastischen Stoß zunehmen? (Innere Energie) (!Negative Bewegungsenergie) (!Masseenergie des gesamten Systems im Schulmodell) (!Elektrische Ladung)
Was zeigt die Stoßzahl näherungsweise an? (Das Rückprallvermögen der Stoßpartner) (!Die Gesamtmasse der Stoßpartner) (!Die Dauer der gesamten Bewegung) (!Die Anzahl der beteiligten Körper)
Memory
| Impuls | Masse mal Geschwindigkeit |
| Elastischer Stoß | Impuls und kinetische Energie erhalten |
| Vollkommen unelastischer Stoß | Gemeinsame Geschwindigkeit danach |
| Kraftstoß | Änderung des Impulses |
| Abgeschlossenes System | Keine resultierende äußere Kraft |
| Stoßzahl | Maß für das Rückprallvermögen |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Beschreibung |
|---|---|
| Impulserhaltung | Gesamtimpuls vor und nach dem Stoß ist gleich |
| Elastischer Stoß | Kinetische Energie bleibt erhalten |
| Unelastischer Stoß | Bewegungsenergie wird teilweise umgewandelt |
| Kraftstoß | Kraft wirkt während einer Zeitspanne |
| Knautschzone | Verlängert die Abbremszeit |
...
Kreuzworträtsel
| Impuls | Welche Größe ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit? |
| Masse | Welche Eigenschaft wird in Kilogramm angegeben? |
| Geschwindigkeit | Welche gerichtete Größe beschreibt, wie schnell sich ein Körper bewegt? |
| Elastisch | Wie heißt ein Stoß, bei dem die kinetische Energie erhalten bleibt? |
| Verformung | Worin kann Bewegungsenergie bei einem Unfall umgewandelt werden? |
| Kraftstoß | Wie heißt das Produkt aus Kraft und Einwirkzeit? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Stoßbeispiele: Fotografiere oder zeichne drei Stoßvorgänge aus Alltag oder Sport und ordne sie begründet einer Stoßart zu.
- Vorzeichenregel: Erfinde eine Bewegung mit zwei Wagen und kennzeichne positive sowie negative Geschwindigkeiten.
- Kugelstoßpendel: Beobachte ein Kugelstoßpendel oder ein Video davon und beschreibe, was mit Impuls und Energie geschieht.
- Sicherheitsidee: Erstelle ein Plakat, das erklärt, warum weiche Matten und Airbags die Verletzungsgefahr senken.
Standard
- Wagenexperiment: Plane einen Versuch mit Spielzeugwagen, bestimme Massen und Geschwindigkeiten und prüfe die Impulserhaltung.
- Ballvergleich: Lass verschiedene Bälle aus derselben Höhe fallen, miss die Rücksprunghöhen und vergleiche ihr Rückprallvermögen.
- Videoanalyse: Filme einen geradlinigen Stoß in Zeitlupe und ermittle Geschwindigkeiten aus Weg und Zeit.
- Energiebilanz: Berechne für ein selbst gewähltes Stoßbeispiel die kinetische Energie vor und nach dem Stoß und deute die Differenz.
Schwer
- Zweidimensionaler Stoß: Untersuche einen schrägen Stoß auf einem Tisch und stelle die Impulsvektoren vor und nach dem Stoß zeichnerisch dar.
- Stoßzahl: Bestimme aus Fallhöhe und Rücksprunghöhe näherungsweise die Stoßzahl eines Balls und diskutiere Messfehler.
- Ballistisches Pendel: Entwickle ein ungefährliches Modell mit Knetmasse und Pendelkörper und beschreibe die zwei Rechenphasen.
- Simulation: Programmiere oder erstelle in einer Tabellenkalkulation eine Simulation für einen vollkommen unelastischen Stoß mit veränderbaren Massen und Geschwindigkeiten.


Lernkontrolle
- Systemgrenze analysieren: Ein Wagen stößt auf einen zweiten Wagen, während Reibung wirkt. Beurteile, wann die Impulserhaltung trotzdem näherungsweise verwendet werden darf.
- Sicherheitskonzept erklären: Vergleiche einen harten Aufprall mit einem Aufprall auf eine weiche Matte und leite die unterschiedliche Kraftwirkung aus dem Kraftstoß ab.
- Stoßart bestimmen: Du erhältst Messwerte zu Massen und Geschwindigkeiten vor und nach einem Stoß. Entwickle ein Verfahren, mit dem Du die Stoßart bestimmst.
- Fehler finden: Eine Person behauptet, beim unelastischen Stoß gehe Energie verloren. Korrigiere die Aussage fachlich und nenne mögliche Energieformen.
- Modell bewerten: Erkläre, warum Billardkugeln als annähernd elastisch gelten, ein Autounfall aber stark unelastisch ist.
- Transfer auf Sport: Begründe, warum man beim Fangen eines Balls die Hände nach hinten bewegt.
- Vektoren anwenden: Beschreibe, wie Du bei einem schrägen Stoß die Impulserhaltung in x- und y-Richtung prüfen würdest.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- den Impuls mit Einheit, Betrag und Richtung beschreiben kannst.
- ein abgeschlossenes System sinnvoll festlegst.
- die Impulserhaltung korrekt aufstellst.
- elastische und unelastische Stöße anhand von Impuls und Energie unterscheidest.
- Vorzeichen bei eindimensionalen Stößen sicher verwendest.
- einfache Stoßaufgaben rechnerisch löst und Ergebnisse deutest.
- Kraftstoß, Stoßdauer und Sicherheitsanwendungen miteinander verknüpfst.
- Messwerte oder Versuchsergebnisse kritisch auswertest.
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