Experiment des Monats Sekundarstufe: Unelastischer Stoß
Fahrzeuge stoßen zusammen und verkeilen sich. Eisenbahnwagen rollen aufeinander zu und koppeln aneinander. Nach dem Stoß hängen die Wagen zusammen. Sie bleiben stehen oder bewegen sich gemeinsam mit gleicher Geschwindigkeit weiter. Solche Stöße lassen sich durch das Modell eines unelastischen Stoßes beschreiben.
Wie bei allen Stößen liefern Impuls und Energie mit ihren Erhaltungssätzen in abgeschlossenen Systemen wichtige Informationen.
Ein unelastischer Stoß liegt vor, wenn (1) der Gesamtimpuls während des Stoßes erhalten bleibt und (2) die Stoßpartner sich nach dem Stoß mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.
Beim unelastischen Stoß wird kinetische Energie dauerhaft in Formen innerer Energie umgewandelt. Wegen der Knautschzonen wird bei Verkehrsunfällen kinetische Energie vor allem durch Verformung absorbiert. Die Stoßdämpfer der Eisenbahnwaggons wandeln die Energie in Wärme um.
Jede Einwirkung mit einer Kraft F auf einen Körper bewirkt eine Impulsänderung Δp dieses Körpers in Richtung der Einwirkung. Aus der Impulsänderung kann umgekehrt die Kraft bestimmt werden, mit der auf den Körper eingewirkt wird.
Modell eines Unfalls
Auf der Fahrbahn eines Schülerversuchs wird anhand eines Modellversuchs ein Autounfall simuliert. Die Masse jedes Wagens beträgt 118 g. Ein Wagen wird mit einem gelben Klebestreifen der andere mit einem grünen markiert. An den Stirnseiten der Wagen befinden sich Halterungen mit Klettstreifen, sodass die Wagen nach dem Stoß zusammenhaften. Der Aufprall wird mit Hilfe der Videoanalyse-App untersucht (Abb. 1).
Modellieren unterschiedlicher Autounfälle
An der roten Ampel einer Kreuzung hält ein PKW. Sein Gesamtgewicht beträgt 1 t. Mit 50 km/h fährt ein doppelt so schwerer Geländewagen ungebremst auf. Dabei verkeilen sich beide Wagen.
Hier das passende Arbeitsblatt zu unserem Experiment des Monats Sekundarstufe "Unelastischer Stoß" zum KOSTENLOSEN Download.
Auswertungen zum Experiment "Unelastischer Stoß"
Es wird ein Auffahrunfall modelliert. Im linken Bild lässt sich die Bewegung rekonstruieren, indem man die Spurpunkte von rechts nach links rückwärst verfolgt. 8 gelbe und grüne Spurpunkte verlaufen parallel in gleichen Abständen. In dieser Zeit rollen beide Wagen angekoppelt und langsam. Der rechte Teil des t-v-Diagramms bestätigt, dass beide Wagen mit gleicher Geschwindigkeit nach dem Stoß rollen. Vor dem Stoß haben die Spurpunkte des grünen Wagens größere Abstände. Er fährt mit größerer Geschwindigkeit. Der gelbe Wagen hinterlässt keine Spurpunkte, d. h. er steht, seine Geschwindigkeit ist null. Dies zeigt auch das Diagramm.
Beide Wagen fahren mit gleicher Geschwindigkeit gegeneinander. Nach dem Zusammenstoß bleiben beide stehen. Vor dem Stoß waren die Beträge beider Impulse gleich, ihre Vorzeichen aber entgegengesetzt. Der Gesamtimpuls war daher vor dem Stoß null. Nach dem Stoß muss der Gesamtimpuls ebenfalls null sein. Da beide nach einem unelastischen Stoß mit gleicher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung fahren, kann die Geschwindigkeit nur null sein.
Ob beide gegeneinander fahren oder der schnellere auf den langsameren auffährt, stets gibt der Wagen mit dem größeren Impuls die Richtung vor. Die größere Geschwindigkeit oder die größere Masse sind nicht alleine für die Richtung entscheidend.
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