Grundlagen der Physik - Das Nachhilfeforum

Nachdem ja im Wissenschaftsbereich , in bewundernswerterweise, komplipizierteste Sachverhalte der Physik erörtert werden, oft aber auch in diesen Spezialistenthreats eben einfache Rückfragen der Amateure auftauchen, hier die Möglichkeit, diese Fragen zu klären, ohne das die anderen Threats dadurch zerschossen werden.

Ich stell mal die Ausgangsfrage hier nochmal ein.

ComCitCat schrieb:Ich hab jetzt, nach dem Brocken oben, für die Leute die meinen keinen Plan zu haben noch ne richtig fiese Zusatzfrage zu dem "Autos und Bäume im Straßenverkehr" - Problem. Naja, ich würd mal meinen für alle anderen ist das auch ne interessante Frage.
Wenn 2 Autos miteinander Frontal zusammenstoßen, sagen wir mit so 60 bzw. 70 Sachen. Und dann kommen sie zum Stehen, dann ist da E = 1/2 x m x v² = 1/2 x (m1 x (60km/h)² + m2 x (70km/h)²) an Energie frei geworden, um damit Sachen zu machen wie Autos verformen, Feuer anzünden, Kotflügel abreißen ect. Warum eigentlich wird diese Energie frei? Wenn diese komische kinetische Energie so relativ ist, was spricht dann dagegen, zu sagen, wir müssen diese Energie erst erzeugen, damit die beiden Autos richtig kollidieren können? Wenn wir den Motor einsetzen würden, um die Autos abzubremsen - also wir haben da ein extra Getriebe drin, das wir zu 100% umkehren könnten - dann müssten wir tatsächlich Benzin verbrennen, also Energie erzeugen, um die Autos zum Stillstand zu bringen. Warum also wird beim Zusammenprall Energie "frei"???

@Balthasar70
Coole Sache das :-)
Danke

Liege ich denn mit meinem in dem anderen Thread dazu bezogenen Beitrag

Skagerak schrieb:
Ich denke das Stichwort lautet "Potential". Die freigewordene Energie war eben potentiell in der Masse, also in den Objekten vorhanden, und wurde dann umgewandelt in die unterschiedlichsten Reaktionen wie Verformung und Bewegungen (sprich dass die Teile umherfliegen).

so in etwa richtig?

@skagerak
Ich habe Probleme mit dem Begriff der "freigewordenen" Energie, soweit ich weiss, gibt es nur umwandlungen verschiedener Energieformen ineinander, also hier hauptsächlich von kinetischer Energie in Verformungsenergie und Wärme(energie). Potentielle Energie hat in der Physik wohl auch eher die Bedeutung der Energie bei gespannten Federn oder der Lageenergie.

Aber was interessiert mich mein Geschwätz von gerade.

Wikipedia: Freie Energie

@Balthasar70
Ging mir nämlich auch so. Okay, "freiwerden" hätte ich da jetzt nicht überbewertet bzw entsprechend interpretiert.
Dachte aber dann sofort an das Gesetz der Thermodynamik oder so. Deswegen kam ich auf "potentiell". Im Sinne der kinetischen Energie halt.

Potentielle Energie hat in der Physik wohl auch eher die Bedeutung der Energie bei gespannten Federn oder der Lageenergie.

Ja eben, rührt doch auch nur von durch Bewegung "erstellter" kinetischer Energie her, oder nicht? Also die Bewegung des Körpers usw beim zusammendrücken der  Feder etc. etc.  z.B..
Und diese Eneegie wird dann quasi gespeichert und dann beim Lösen "freigesetzt" bzw umgewandelt.

Nachtrag:
Also die Feder hat dann das Potential diese Energie bei Bedarf "freizusetzen".

skagerak schrieb:Ja eben, rührt doch auch nur von durch Bewegung "erstellter" kinetischer Energie her,

Sind nicht auch potentielle Energieformen denkbar die sich aus anderem als kinetischer Energie gewandelt haben?

@skagerak
Das ist schon kinetische Energie, und die wird umgangssprachlich "frei", wird also in eine andere Form umgewandelt, in einem Fall in thermische Energie und im anderen versteckt wieder in kinetische.

@Balthasar70
Der Witz an der Frage ist nicht die sprachliche Ungenauigkeit, sondern dass ein gefährt einmal bei der Beschleunigung von 60 auf 0 km/h die kinetische Energie freigibt, und im anderen Fall Energie aufgewendet werden muss um die gleiche Beschleunigung zu erzeugen.

Ich drösel das gleich nochmal in Ruhe auf. Wird etwas länger. Kann sein, dass ich das erst morgen fertig bekomme, ist nicht mehr ganz so früh.

Zotteltier schrieb:und im anderen Fall Energie aufgewendet werden muss um die gleiche Beschleunigung zu erzeugen.

Ja aber doch mit umgekehrten Vorzeichen/ Vektoren?

Nein. Es geht beide male um das abbremsen. ;-)

@Balthasar70
@Zotteltier
Wollte das auch nicht nur auf die kinetische Energie beziehen, entzieht sich halt meiner Kenntnis was da noch alles ist. Aber vom Prinzip her lag ich doch richtig oder nicht?
Es wird nur Energie umgewandelt.
Und diese Energie kommt doch von der kinetischen und anscheinend diversen anderen energetischen Faktoren.

@Balthasar70
Die Beschleunigung ist ja in beiden Fällen in die gleiche Richtung, und Energie ist nicht gerichtet. Um drauf zu kommen solltest Du an Actio=Reactio denken. Ich schreib erstmal und antworte danach auf weitere Beiträge.

ComCitCat schrieb:Nein. Es geht beide male um das abbremsen. ;-)

Ja, ist aber ja eigentlich nebensächlich, ich wandle beides um, mal die kinetische Energie kX in KO um (die Karre steht), ob das nun die Verformungsenergie des zerstörten Wagens ist oder chemische Energie des Benzins die über Materialerwärmung, Abrieb und Bremsspuren umgesetzt wird ist doch im Ergebnis egal?

Ich machs doch etwas kürzer, ob der späten Stunde.

Im Grunde geht es darum, ein Gefährt zu beschleunigen. Wenn ich etwas beschleunigen will muss ich etwas anderes in die entgegengesetzte Richtung wegwerfen.

Man kann sich das vielleicht besser mit Raketen vorstellen. Um eine Rakete zu beschleunigen muss ich Treibstoff ausstoßen. Beim Auto läuft das im Grunde nicht anders aber eben über viele Einzelschritte und unanschaulicher. Das Verbrennen des Treibstoffes sorgt bei der Rakete direkt dafür, dass dieser möglichst schnell in eine Richtung beschleunigt wird, damit die Rakete in die entgegengesetzte Richtung wegfliegt. Die Chemische (potentielle) Energie des Treibstoffes ist dabei ebenfalls in kinetische Energie umgewandelt worden.

Meine Rakete "steht", aber dafür fliegen ne Masse Gasmoleküle weg. Da steckt dann auch die kinetische Energie der Rakete drin.

Beim Unfall brauche ich keinen Treibstoff für die Beschleunigung, da die entgegengesetzte Beschleunigung durch meinen Unfallpartner übernommen wird. Die kinetische Energie wird dann über den Umweg der Potentiellen Energie in Verformung und wenn die Verformung irreversibel ist letztenendes in thermische Energie umgesetzt.

@ComCitCat
Gegenfrage an Dich, Du sollst ja auch was zum Grübeln haben. :)
Wieviel kinetische Energie wird freigesetzt?  (m1 = m2 = 1 kg, v1 = 10 m/s, v2 =20 m/s)

Edit: zusätzliche Annahmen: vollständig inelastisch und Zusammenprall irgendwo im Raum nicht auf der Straße.

Zotteltier schrieb:Beim Unfall brauche ich keinen Treibstoff für die Beschleunigung, da die entgegengesetzte Beschleunigung durch meinen Unfallpartner übernommen wird.

*rofl*

Das ist eine wunderschöne Formulierung.

Zotteltier schrieb:Wieviel kinetische Energie wird freigesetzt?  (m1 = m2 = 1 kg, v1 = 10 m/s, v2 =20 m/s)
Edit: zusätzliche Annahmen: vollständig inelastisch und Zusammenprall

Der einfachste Weg ist die Umrechnung ins Schwerpunktsystem. Dann kann ich aus den Geschwindigkeiten von m1 und m2 im Vergleich zum Schwerpunkt des Systems gleich die Geschwindigkeitsdifferenz zum Zustand nach dem Zusammenprall ablesen, und in Energie umsetzen. ;-)

Die Rechnung ist was für morgen. Sonst mach ich noch nen Tipfehler und irgendwer hängt sich deswegen auf. Das wäre tragisch. :-D

Immer, wenn ich keine Ahnung habe von Physik, gucke ich The Big Bang Theory. Danach habe ich zwar immer noch keine Ahnung, aber ich habe gelacht...!

Also hab gerade Zeit...

Zotteltier schrieb:Wieviel kinetische Energie wird freigesetzt?  (m1 = m2 = 1 kg, v1 = 10 m/s, v2 =20 m/s)
Edit: zusätzliche Annahmen: vollständig inelastisch und Zusammenprall irgendwo im Raum nicht auf der Straße.

Übergang ins Schwerpunktsystem:
Ich nehme die Kurzversion, weil beide Massen gleich groß sind.
v₁= 10m/s, v₂= 20m/s v_S=(v₁+v₂)/2=15m/s
Der Massenschwerpunkt des Systems bewegt sich also mit 15m/s in Richtung von v1 und v2 (ja, mit deinen Angaben gehen die in die selbe Richtung, weil du entweder ihre Vorzeichen gegensätzlich setzen musst, oder explizit sagen, dass sie sich mit v1 und v2 jeweils aufeinander zu bewegen ;-)
Im Schwerpunktssystem ist dann v_1s = -5 m/s und v_2s = 5m/s.
Respektiv ist die Energie E_kin= 1/2 m x v² = 1/2 m₁ x v_1s² + 1/2 m₂ x v_s2² und mit m1 = m2 := M sowie v_1s²=v_2s10²:=V²
E_kin= M x (V² + V²) = 2 M V² = 50 kg*m²/s²

kleiner Nachtrag: Wenn sich m1 und m2 mit den angegebenen Geschwindigkeiten aufeinander zu bewegen sollen, dann tun sie das im Schwerpunktsystem mit V=15m/s statt 5m/s. Entsprechend ist dann V² nicht 25 sondern 225 (m/s)² und es wird ne Energie von 450 kg+m²/s² frei.

Hoffentlich jetzt ohne Fehler. Für die Anfänger wären sicherlich auch die nicht abgekürzten langen Standartrechnungen interessant aber die schaff ich nur ohne meine kleine am Laptop. :-D

@Zotteltier
Ja passt, ich meinte entgegengesetzte Geschwindigkeiten, aber so wie ichs aufgeschrieben habe ist dann formal auch die erste Rechnung richtig.

Schwerpunktsystem als Antwort ist der entsheidende Punkt (es geht auch in anderen Systemen aber dann wird die Berechnung komplizierter).

Netter Thread @Balthasar70 :D

Ich will die Sache auch gar nicht unnötig verkomlizieren, aber ich hätte noch einen Vorschlag zur Vertiefung der Lektion zur Kinetischen Energie, insbesondere weil in den bisherigen Beispielen Autos eine zentrale Rolle spielten.

Die Kinetische Energie eines fahrenden Autos setzt sich nämlich aus verschiedenen Komponenten zusammen, und bisher fand nur der translatorische Teil Beachtung, der rotatorische Teil wurde bewusst oder unbewusst nie erwähnt, was im Grunde schade ist, da er zum besseren Verständnis durchaus beitragen kann.

Üblicherweise hat ein Auto 5 Räder, von denen sich im Bewegungszustand 4 drehen. Ich fände es durchaus interessant, einmal zu berechnen, wie groß der rotatorische im Vergleich zum translatorischen Anteil an der gesamten kinetischen Energie eines durchschnittlichen Fahrzeugs ist.

Zur Vereinfachung nehmen wir mal an, die Masse im Rad wäre homogen verteilt, und wir kennen folgende Werte:

v_PKW = 30 m/s
m_PKW = 1500 kg
m_Rad = 20 kg  ( 4 Räder -->  80 kg ! )
r_Rad = 0,33 m

Die Masse der Räder ist natürlich in der Gesamtmasse des PKW enthalten :D

Hier noch ein paar Hilfen, damit nicht lange gesucht werden muss:

E_kin = E_{kin_t} + E_{kin_r}

E_{kin_t} = 1/2 mv²

E_{kin_r} = 1/2 Jw²    [ J=Trägheitsmoment  ; w=Winkelgeschwindigkeit=v/r ]

Ich glaube, damit wäre alles vorgegeben, die einzige Hürde die ich sehe, wäre die Bestimmung des Trägheitsmomentes der Räder. Wie gesagt, mir gehts nur um das Verhältnis von translatorischer- zu rotatorischer kinetischer Energie, gänzlich ohne den ganzen Kollisionskram. Vielleicht hat ja jemand Bock drauf, das mal auszurechnen :D