PhysikKlasse 9–11

Freier Fall

Eine Kugel fällt auf Erde, Mond oder Mars und wird jede Sekunde schneller. Im Vakuum hält sogar eine Feder mit.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Lässt man einen Körper los, fällt er immer schneller. Ohne Luftwiderstand ist der freie Fall eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung mit der Fallbeschleunigung gg (dem Ortsfaktor). In Mitteleuropa ist g≈9,81 ms2g \approx 9{,}81\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}. Aus der Ruhe gelten die Fallgesetze

s=12 g t2v=g⋅t.s = \tfrac{1}{2}\, g\, t^2 \qquad v = g \cdot t .

Daraus folgen für die Fallhöhe hh die Fallzeit und die Aufprallgeschwindigkeit

t=2hgv=2 g h.t = \sqrt{\frac{2h}{g}} \qquad v = \sqrt{2\, g\, h}.

Umrechnen in km/h: Eine Stunde hat 3600 s3600\,\text{s}, ein Kilometer 1000 m1000\,\text{m}. Also gilt 1 ms=3,6 kmh1\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} = 3{,}6\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}: Man multipliziert mit 3,63{,}6.

Stroboskop: Blitzt eine Lampe in gleichen Zeitabständen Δt\Delta t, sieht man die Kugel an mehreren Stellen. Die Abstände wachsen im Verhältnis 1:3:5:7:…1 : 3 : 5 : 7 : \ldots – jeder Abstand ist um g⋅(Δt)2g \cdot (\Delta t)^2 größer als der vorige.

Masse spielt keine Rolle: Ohne Luft fallen eine schwere Kugel und eine leichte Feder gleich schnell. In Luft bremst der Luftwiderstand die Feder stark: Sie erreicht schnell eine kleine Endgeschwindigkeit und fällt dann fast gleichförmig. Auf dem Mond (ohne Luft) ließ ein Astronaut 1971 bei der Mission Apollo 15 einen Hammer und eine Feder fallen – beide kamen gleichzeitig unten an.

Andere Himmelskörper haben andere Ortsfaktoren: Mond 1,62 ms21{,}62\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}, Mars 3,71 ms23{,}71\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}, Jupiter 24,79 ms224{,}79\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}.

Reaktionszeit: Fängt man ein fallendes Lineal, kann man aus der Fallstrecke ss die Reaktionszeit berechnen: t=2sgt = \sqrt{\frac{2s}{g}}.

Ausprobieren

  1. Drücke Fallen lassen und betrachte das Stroboskopbild. Lies die Abstände an der blauen Leiste ab: 1:3:5:7:91 : 3 : 5 : 7 : 9.
  2. Ziehe die Kugel im Fallturm (oder den Punkt im tt-ss-Diagramm) und beobachte, wie sich Zeit und Geschwindigkeit ändern. Das Dreieck im tt-vv-Diagramm zeigt die Steigung gg, die Fläche unter der Geraden die Fallstrecke.
  3. Wiederhole den Versuch auf dem Mond und auf dem Jupiter. Auf dem Mond
  4. Drehe die Fallröhre um – einmal mit Luft, einmal luftleer. Fallröhre mit Luft · Fallröhre luftleer
  5. Miss deine Reaktionszeit: Drücke Start und fange das Lineal (Tippen, Klick oder Leertaste). Mache mindestens fünf Versuche. Reaktionstest

Aufgaben

Aufgabe 1: Fallturm

Eine Kugel fällt aus 20 m20\,\text{m} Höhe (ohne Luftwiderstand). Wie lange dauert der Fall, mit welcher Geschwindigkeit kommt sie unten an? Aufgabe laden

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t=2⋅20 m9,81 m/s2≈2,02 st = \sqrt{\frac{2 \cdot 20\,\text{m}}{9{,}81\,\text{m/s}^2}} \approx 2{,}02\,\text{s} und v=g⋅t≈19,8 ms≈71 kmhv = g \cdot t \approx 19{,}8\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} \approx 71\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}.

Aufgabe 2: Stroboskopbild auswerten

Das Stroboskop blitzt alle 0,4 s0{,}4\,\text{s}. Berechne die Abstände zwischen den ersten fünf Bildern und ihr Verhältnis. Aufgabe laden

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Orte: s(0,4 s)≈0,78 ms(0{,}4\,\text{s}) \approx 0{,}78\,\text{m}, s(0,8 s)≈3,14 ms(0{,}8\,\text{s}) \approx 3{,}14\,\text{m}, s(1,2 s)≈7,06 ms(1{,}2\,\text{s}) \approx 7{,}06\,\text{m}, s(1,6 s)≈12,56 ms(1{,}6\,\text{s}) \approx 12{,}56\,\text{m}. Abstände: 0,78 m0{,}78\,\text{m}; 2,35 m2{,}35\,\text{m}; 3,92 m3{,}92\,\text{m}; 5,49 m5{,}49\,\text{m} – also 1:3:5:71 : 3 : 5 : 7. Jeder Abstand ist um g⋅(0,4 s)2≈1,57 mg \cdot (0{,}4\,\text{s})^2 \approx 1{,}57\,\text{m} größer als der vorige.

Aufgabe 3: Auf dem Mond

Wie lange fällt die Kugel auf dem Mond aus 20 m20\,\text{m}? Wie viel länger ist das als auf der Erde? Aufgabe laden

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t=2⋅201,62 s≈4,97 st = \sqrt{\frac{2 \cdot 20}{1{,}62}}\,\text{s} \approx 4{,}97\,\text{s} – etwa 9,81/1,62≈2,5\sqrt{9{,}81 / 1{,}62} \approx 2{,}5-mal so lange wie auf der Erde.

Aufgabe 4: Brunnentiefe

Ein Stein fällt in einen Brunnen und schlägt nach 2 s2\,\text{s} auf dem Wasser auf. Wie tief ist der Brunnen (Luftwiderstand und Schalllaufzeit vernachlässigt)?

Lösung anzeigen

s=12⋅9,81 ms2⋅(2 s)2≈19,6 ms = \tfrac12 \cdot 9{,}81\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot (2\,\text{s})^2 \approx 19{,}6\,\text{m}. In der Simulation prüfen (nächster Reglerwert 19,5 m19{,}5\,\text{m}, Fallzeit 1,99 s1{,}99\,\text{s})

Aufgabe 5: Reaktionszeit und Reaktionsweg

Jemand fängt das Lineal nach 18 cm18\,\text{cm}. Wie groß ist die Reaktionszeit? Welche Strecke fährt ein Auto mit 50 kmh50\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}} in dieser Zeit, bevor die Fahrerin überhaupt bremst?

Lösung anzeigen

t=2⋅0,18 m9,81 m/s2≈0,19 st = \sqrt{\frac{2 \cdot 0{,}18\,\text{m}}{9{,}81\,\text{m/s}^2}} \approx 0{,}19\,\text{s}. Mit 50 kmh≈13,9 ms50\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}} \approx 13{,}9\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} ergibt sich ein Reaktionsweg von etwa 13,9 ms⋅0,192 s≈2,7 m13{,}9\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 0{,}192\,\text{s} \approx 2{,}7\,\text{m}. Im Straßenverkehr rechnet man mit etwa 1 s1\,\text{s} Reaktionszeit, weil man die Gefahr erst erkennen und den Fuß umsetzen muss.

Aufgabe 6: Feder und Kugel

Erkläre, warum die Feder in der Röhre mit Luft viel länger braucht, im luftleeren Rohr aber genauso schnell fällt wie die Kugel. Mit Luft · Luftleer

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Auf beide wirkt die Gewichtskraft; ohne Luft beschleunigen beide mit gg – unabhängig von der Masse. In Luft wirkt zusätzlich der Luftwiderstand. Er wächst mit der Geschwindigkeit und ist bei der leichten, großflächigen Feder schon bei etwa 0,6 ms0{,}6\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} so groß wie ihre Gewichtskraft – danach wird sie nicht mehr schneller. Bei der schweren, kleinen Kugel spielt er auf 1,5 m1{,}5\,\text{m} kaum eine Rolle.

Aufgabe 7: Apfel vom Baum

Ein Apfel fällt aus 5 m5\,\text{m} Höhe vom Baum. Mit welcher Geschwindigkeit kommt er unten an? Gib sie in ms\tfrac{\text{m}}{\text{s}} und in kmh\tfrac{\text{km}}{\text{h}} an. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

v=2⋅9,81 ms2⋅5 m=98,1 ms≈9,9 msv = \sqrt{2 \cdot 9{,}81\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot 5\,\text{m}} = \sqrt{98{,}1}\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} \approx 9{,}9\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}. Mal 3,63{,}6: 9,9⋅3,6≈36 kmh9{,}9 \cdot 3{,}6 \approx 36\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}.

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung und Fallgesetze (Klasse 9/10), historischer Bezug zu Galilei, Anwendung im Verkehr (Reaktionszeit). Die drei Experimente lassen sich einzeln über Links mit mode=… aufrufen.
  • Modell: Im Fallturm wird ohne Luftwiderstand gerechnet. In der Fallröhre wird der Luftwiderstand als proportional zu v2v^2 angenommen, mit Endgeschwindigkeiten von etwa 75 ms75\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} (Stahlkugel, Ø 3 cm3\,\text{cm}) und 0,6 ms0{,}6\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}} (Feder) – das sind Näherungswerte. Das Schaukeln der Feder ist nur angedeutet. Jupiter hat keine feste Oberfläche; der Wert 24,79 ms224{,}79\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2} gilt in Höhe der Wolkenobergrenze – der Fallturm dort ist ein Gedankenexperiment.
  • Reaktionstest: Das Lineal fällt nach einer zufälligen Wartezeit (1,2 bis 3,5 s). Bildschirm und Eingabegerät verzögern um einige Hundertstelsekunden; die gemessenen Zeiten liegen daher meist etwas über denen mit einem echten Lineal. Ein Vergleich mit einem echten Lineal (Partnerarbeit) bietet sich an – mit eingeschalteter ms-Skala wird das Lineal zum „Reaktionszeit-Lineal“.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Schwere Körper fallen schneller.“ – nur der Luftwiderstand macht einen Unterschied.
    • „In gleichen Zeiten fällt der Körper gleich weit.“ – Die Abstände im Stroboskopbild werden immer größer, und zwar jeweils um denselben Betrag g⋅(Δt)2g \cdot (\Delta t)^2.
    • „Auf dem Mond gibt es keine Schwerkraft.“ – sie ist nur etwa ein Sechstel so groß.
    • „gg ist eine Geschwindigkeit.“ – gg gibt an, um wie viel ms\tfrac{\text{m}}{\text{s}} die Geschwindigkeit pro Sekunde zunimmt.