Erhaltungssätze
Aufgabenstellung
Im Folgenden sind einige physikalische Vorgänge aus dem Bereich der Mechanik beschrieben. Entscheiden Sie jeweils, ob der Energiesatz der Mechanik oder der Impulserhaltungssatz anwendbar sind. Zu jedem Vorgang ist das System angegeben, das für den Impulserhaltungssatz betrachtet werden soll. Die Reibung sei bei allen Bewegungsvorgängen vernachlässigbar, solange sie nicht zur Erfüllung des genannten Vorgangs benötigt wird.
| Vorgang | Energiesatz anwendbar | Impulssatz anwendbar |
|---|---|---|
| Schwingung eines Federpendels, bestehend aus einem Massestück an einer Feder (System: Federpendel) | ||
| Elastischer Stoß zweier Gleiter auf der Luftkissenbahn (System: beide Gleiter) | ||
| Das Projektil einer Pistole trifft auf eine Zielscheibe und bleibt in dieser stecken. (System: Projektil und Zielscheibe) | ||
| Vollbremsung eines PKW bis zum Stillstand (System: PKW) | ||
| Zwei Eishockeyspieler prallen zusammen und klammern sich aneinander fest. (System: beide Spieler) | ||
| Ein perfekter Gummiball wird gegen eine Wand geworfen und prallt von dieser ab. (System: Gummiball und Wand) | ||
| Ein Apfel fällt vom Baum senkrecht nach unten. (System: Apfel und Apfelbaum) |
Lösung
Die Erhaltungssätze gelten stets nur unter gewissen Voraussetzungen: Der Energiesatz der Mechanik erfordert das Vorliegen rein konservativer Kräfte. Der Impulssatz gilt nur in abgeschlossenen Systemen. Ist die jeweilige Voraussetzung nicht erfüllt, kann auch der entsprechende Erhaltungssatz nicht angewendet werden.
- Schwingung eines Federpendels, bestehend aus einem Massestück an einer Feder (System: Federpendel)
-
- Energiesatz anwendbar
- Impulssatz nicht anwendbar: Das Federpendel ist kein abgeschlossenes System. Es wirken Kräfte auf den Aufhängepunkt der Feder. Bei senkrecht schwingendem Pendel wirkt zudem die Erdanziehungskraft.
- Elastischer Stoß zweier Gleiter auf der Luftkissenbahn (System: beide Gleiter)
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- Energiesatz anwendbar
- Impulssatz anwendbar
- Das Projektil einer Pistole trifft auf eine Zielscheibe und bleibt in dieser stecken. (System: Projektil und Zielscheibe)
-
- Energiesatz nicht anwendbar: Das Projektil wird in der Zielscheibe reibungsbedingt abgebremst. Möglicherweise tritt auch eine (plastische) Verformung ein. Beides sind dissipative Vorgänge.
- Impulssatz anwendbar
- Vollbremsung eines PKW bis zum Stillstand (System: PKW)
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- Energiesatz nicht anwendbar: Beim Bremsen wird die kinetische Energie des PKW in Wärme dissipiert.
- Impulssatz nicht anwendbar: Durch die Reibung zwischen Rädern und Straße erfolgt ein Impulsübertrag auf den Untergrund.
- Zwei Eishockeyspieler prallen zusammen und klammern sich aneinander fest. (System: beide Spieler)
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- Energiesatz nicht anwendbar: Hierbei handelt es sich um einen inelastischen Stoß. Das Aneinander-Festklammern und die gemeinsame Weiterbewegung erfordern stets nichtkonservative Kräfte.
- Impulssatz anwendbar
- Ein perfekter Gummiball wird gegen eine Wand geworfen und prallt von dieser ab. (System: Gummiball und Wand)
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- Energiesatz anwendbar
- Impulssatz anwendbar
- Ein Apfel fällt vom Baum senkrecht nach unten. (System: Apfel und Apfelbaum)
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- Energiesatz anwendbar
- Impulssatz nicht anwendbar: Auf den Apfel wirkt die Erdanziehungskraft, die ihren Ursprung außerhalb des genannten Systems hat.