PhysikKlasse 8–11

Schiefe Ebene

Ein Klotz liegt auf einer schrägen Ebene. Ab welchem Winkel rutscht er? Die Gewichtskraft wird dazu in zwei Teile zerlegt.

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Worum geht es?

Auf einer schiefen Ebene mit dem Neigungswinkel α\alpha wirkt auf einen Körper die Gewichtskraft FG=m⋅gF_G = m \cdot g senkrecht nach unten. Man zerlegt sie in zwei Komponenten:

  • die Hangabtriebskraft FHF_H parallel zur Ebene (hangabwärts) und
  • die Normalkraft FNF_N senkrecht zur Ebene, die den Körper auf die Unterlage drückt.

Das Kräftedreieck aus FGF_G, FHF_H und FNF_N ist ähnlich zum Dreieck aus Länge ll, Höhe hh und Grundseite der Ebene. Deshalb gilt

FHFG=hlFH=FG⋅sin⁡αFN=FG⋅cos⁡α\frac{F_H}{F_G} = \frac{h}{l} \qquad F_H = F_G \cdot \sin\alpha \qquad F_N = F_G \cdot \cos\alpha

Je steiler die Ebene, desto größer FHF_H und desto kleiner FNF_N. Bei α=30∘\alpha = 30^\circ ist die Hangabtriebskraft genau halb so groß wie die Gewichtskraft.

Steigung in Prozent: Auf Verkehrsschildern steht die Steigung als Höhenunterschied pro waagerechter Strecke, also tan⁡α\tan\alpha. „12 %“ bedeutet tan⁡α=0,12\tan\alpha = 0{,}12 und damit α≈6,8∘\alpha \approx 6{,}8^\circ.

Reibung: Ein Klotz bleibt liegen, solange die Haftreibungskraft die Hangabtriebskraft ausgleichen kann. Sie ist höchstens

FR,max⁡=μH⋅FNF_{R,\max} = \mu_H \cdot F_N

(μH\mu_H: Haftreibungszahl). Ist FHF_H größer, rutscht der Klotz. Beim Gleiten bremst die kleinere Gleitreibungskraft FR=μG⋅FNF_R = \mu_G \cdot F_N. Der Klotz gleitet dann gleichmäßig beschleunigt hinab mit

a=FH−FRm=g⋅(sin⁡α−μG⋅cos⁡α)a = \frac{F_H - F_R}{m} = g \cdot (\sin\alpha - \mu_G \cdot \cos\alpha)

Grenzwinkel: Ohne weitere Kraft beginnt der Klotz zu rutschen, wenn FH=FR,max⁡F_H = F_{R,\max} ist, also bei tan⁡αG=μH\tan\alpha_G = \mu_H. Die Masse spielt dafür keine Rolle. Misst man den Grenzwinkel, kann man die Haftreibungszahl bestimmen.

Kraftwandler: Ein Wagen rollt fast ohne Reibung. Um ihn auf der Ebene zu halten oder gleichmäßig hinaufzuziehen, braucht man nur die Kraft FHF_H statt FGF_G – dafür ist der Weg ll länger als die Höhe hh. Es gilt die Goldene Regel der Mechanik: FH⋅l=FG⋅hF_H \cdot l = F_G \cdot h.

Ausprobieren

  1. Vergrößere den Neigungswinkel, indem du das obere Ende der Ebene ziehst. Beobachte FHF_H und FNF_N in der Szene und im Diagramm.
  2. Drücke Loslassen bei 20∘20^\circ und bei 35∘35^\circ. Holzklotz bei 35°
  3. Finde für jedes Materialpaar den Grenzwinkel, ab dem der Klotz rutscht. Vergleiche mit dem Schnittpunkt von FHF_H und FR,max⁡F_{R,\max} im Diagramm. Gummi auf Asphalt · Stahl auf Eis
  4. Verdopple die Masse. Ändern sich der Grenzwinkel und die Beschleunigung? Masse 2 kg
  5. Hänge den Kraftmesser an den Wagen und stelle die Zugkraft so ein, dass er stehen bleibt. Trage für verschiedene Winkel Messwerte ein. Wagen mit Kraftmesser
  6. Ziehe den Holzklotz hinauf. Ab welcher Zugkraft setzt er sich in Bewegung? Hochziehen

Aufgaben

Aufgabe 1: Kräfte zerlegen

Ein Klotz mit m=2 kgm = 2\,\text{kg} liegt auf einer Ebene mit α=30∘\alpha = 30^\circ. Berechne FGF_G, FHF_H und FNF_N. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

FG=2 kg⋅9,81 Nkg=19,62 NF_G = 2\,\text{kg} \cdot 9{,}81\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}} = 19{,}62\,\text{N}, FH=FG⋅sin⁡30∘=9,81 NF_H = F_G \cdot \sin 30^\circ = 9{,}81\,\text{N}, FN=FG⋅cos⁡30∘≈16,99 NF_N = F_G \cdot \cos 30^\circ \approx 16{,}99\,\text{N}.

Aufgabe 2: Höhe und Länge

Eine Rampe ist l=1 ml = 1\,\text{m} lang und h=34 cmh = 34\,\text{cm} hoch. Welche Kraft braucht man mindestens, um einen Wagen mit 1 kg1\,\text{kg} darauf zu halten (Reibung vernachlässigt)? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

FH=FG⋅hl=9,81 N⋅0,34≈3,3 NF_H = F_G \cdot \frac{h}{l} = 9{,}81\,\text{N} \cdot 0{,}34 \approx 3{,}3\,\text{N} – etwa ein Drittel der Gewichtskraft. (Die Simulation zeigt mit α=20∘\alpha = 20^\circ genauer 3,36 N3{,}36\,\text{N}.) Prüfen

Aufgabe 3: Rutscht der Klotz?

Ein Holzklotz (μH=0,5\mu_H = 0{,}5) liegt auf einer Ebene mit α=25∘\alpha = 25^\circ. Rutscht er von allein los? Aufgabe laden

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tan⁡25∘≈0,47<0,5\tan 25^\circ \approx 0{,}47 < 0{,}5 – der Klotz haftet. Er rutscht erst ab αG=arctan⁡0,5≈26,6∘\alpha_G = \arctan 0{,}5 \approx 26{,}6^\circ. Bei 27° prüfen

Aufgabe 4: Beschleunigung

Wie stark beschleunigt der Holzklotz (μG=0,3\mu_G = 0{,}3) bei α=35∘\alpha = 35^\circ? Wie lange braucht er für 40 cm40\,\text{cm}? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

a=9,81 ms2⋅(sin⁡35∘−0,3⋅cos⁡35∘)≈3,22 ms2a = 9{,}81\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot (\sin 35^\circ - 0{,}3 \cdot \cos 35^\circ) \approx 3{,}22\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}. Aus s=12at2s = \frac12 a t^2 folgt t=2⋅0,4 m3,22 m/s2≈0,50 st = \sqrt{\frac{2 \cdot 0{,}4\,\text{m}}{3{,}22\,\text{m/s}^2}} \approx 0{,}50\,\text{s}.

Aufgabe 5: Reibungszahl messen

Ein Klotz aus unbekanntem Material beginnt bei α=31∘\alpha = 31^\circ zu rutschen. Wie groß ist die Haftreibungszahl? Prüfe mit eigenen Werten. Prüfen

Lösung anzeigen

μH=tan⁡31∘≈0,60\mu_H = \tan 31^\circ \approx 0{,}60. Bei 30∘30^\circ haftet der Klotz noch, bei 31∘31^\circ rutscht er.

Aufgabe 6: Hinaufziehen

Mit welcher Kraft muss man den Holzklotz (m=1 kgm = 1\,\text{kg}, μG=0,3\mu_G = 0{,}3) bei α=20∘\alpha = 20^\circ ziehen, damit er gleichmäßig hinaufgleitet? Warum braucht man zum Anfahren mehr? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

FZ=FH+μG⋅FN=3,36 N+0,3⋅9,22 N≈6,1 NF_Z = F_H + \mu_G \cdot F_N = 3{,}36\,\text{N} + 0{,}3 \cdot 9{,}22\,\text{N} \approx 6{,}1\,\text{N}. Zum Anfahren muss erst die größere Haftreibung überwunden werden: FH+μH⋅FN≈8,0 NF_H + \mu_H \cdot F_N \approx 8{,}0\,\text{N}. Ausprobieren

Aufgabe 7: Steigung in Prozent

Ein Verkehrsschild warnt vor 12 %12\,\% Steigung. Wie groß ist der Neigungswinkel? Welcher Anteil der Gewichtskraft eines Autos wirkt als Hangabtriebskraft?

Lösung anzeigen

tan⁡α=0,12\tan\alpha = 0{,}12, also α≈6,8∘\alpha \approx 6{,}8^\circ. Der Anteil ist FHFG=sin⁡6,8∘≈0,12\frac{F_H}{F_G} = \sin 6{,}8^\circ \approx 0{,}12, also etwa 12 %12\,\%. Bei kleinen Winkeln sind sin⁡α\sin\alpha und tan⁡α\tan\alpha fast gleich. In der Simulation (Wagen, 1 kg1\,\text{kg}, α=7∘\alpha = 7^\circ): FH≈1,20 NF_H \approx 1{,}20\,\text{N} von 9,81 N9{,}81\,\text{N}. Prüfen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Kraftzerlegung an der schiefen Ebene (zeichnerisch über das Kräftedreieck, mit h/lh/l oder trigonometrisch), Reibung und Grenzwinkel, schiefe Ebene als Kraftwandler (Klasse 8–10); die Bewegungsgleichung a=g(sin⁡α−μGcos⁡α)a = g(\sin\alpha - \mu_G\cos\alpha) eher ab Klasse 10.
  • Bezeichnungen: Die Komponente der Gewichtskraft senkrecht zur Ebene heißt hier Normalkraft FNF_N. Manche Lehrwerke unterscheiden davon die gleich große Kraft der Unterlage auf den Körper.
  • Modell: Ebene 1 m1\,\text{m} lang, g=9,81 Nkgg = 9{,}81\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}}. Die Reibungszahlen der Materialpaare sind Richtwerte; reale Werte hängen stark von Oberfläche, Feuchtigkeit und Sauberkeit ab. Der Wagen hat eine sehr kleine Rollreibung (0,0050{,}005). Vor dem Loslassen hält die Hand den Körper; deshalb ist die angezeigte Haftreibung höchstens FR,max⁡F_{R,\max}. Am unteren Ende hält ein Anschlag den Körper.
  • Messreihe: Mit eingehängtem Kraftmesser lässt sich ein Messwert nur eintragen, wenn der Körper mit dieser Zugkraft liegen bleibt. Beim Wagen liegen die Messpunkte auf der Kurve FH(α)F_H(\alpha); beim Klotz gibt es wegen der Haftreibung einen ganzen Bereich von Haltekräften – ein guter Anlass zum Diskutieren.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Die Normalkraft ist immer gleich der Gewichtskraft.“ – Auf der schiefen Ebene ist sie kleiner: FN=FG⋅cos⁡αF_N = F_G \cdot \cos\alpha.
    • „Schwere Körper rutschen früher.“ – Der Grenzwinkel hängt nur von μH\mu_H ab, nicht von der Masse.
    • „Die Reibungskraft ist immer μ⋅FN\mu \cdot F_N.“ – Die Haftreibung ist nur so groß wie nötig, höchstens μH⋅FN\mu_H \cdot F_N.
    • „Mit der schiefen Ebene spart man Arbeit.“ – Man spart Kraft, muss aber einen längeren Weg zurücklegen.