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a)
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Die Beschreibung erfolgt von einem ruhenden Bezugssystem (Inertialsystem) aus. Ein Beobachter in diesem System beschreibt die Bewegung "von außen". |
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b)
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Die Beschreibung erfolgt von einem mitbewegten Bezugsystem aus. Da eine Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist, führt auch ein mitrotierendes Bezugsystem und ein Beobachter in ihn eine beschleunigte Bewegung aus. Es liegt damit ein beschleunigtes Bezugssystem und kein Inertialsystem vor. |
Kräfte
im ruhenden Bezugssystem
Ein Beobachter betrachtet und beschreibt die Bewegung von außen,
so wie das in den Bildern 1 und 2 dargestellt ist. Dann gilt für
einen solchen Beobachter:
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Der Körper bewegt sich auf einer Kreisbahn. |
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Damit er nicht nach außen wegfliegt, muss eine Kraft in Richtung Zentrum der Bewegung (Kreismittelpunkt) wirken. Diese Kraft wird als Radialkraft, Zentralkraft oder Zentripetalkraft bezeichnet. Der Betrag dieser Kraft kann mithilfe folgender Gleichungen berechnet werden: |
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Die Radialkraft bewirkt eine Radialbeschleunigung oder Zentralbeschleunigung in Richtung Zentrum der Kreisbewegung. |
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Als Wechselwirkungskraft wirkt die Gegenkraft zur Radialkraft, die man z.B. bei dem in Bild 1 dargestellten Sachverhalt als Kraft spürt, die an der Hand angreift und nach außen wirkt. Diese Kraft hat den gleichen Betrag wie die Radialkraft, aber die entgegengesetzte Richtung. |
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Reißt der Faden, an dem der Körper befestigt ist, so bewegt sich dieser tangential weiter (Beispiel: Hammerwerfen. Beim Loslassen des Hammers fliegt dieser tangential weg.) |
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Experimentell
kann man die für die Radialkraft geltende Zusammenhänge
mit einem Radialkraftmesser
bestimmen (Bild 3).
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| Beispiele für Radialkräfte: | |
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Bei Satelliten um die Erde oder beim Erdmond ist die Radialkraft die Gravitationskraft, die die Erde auf die betreffenden Himmelskörper ausübt. |
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Bei Planeten ist die Radialkraft die Gravitationskraft, die die Sonne auf die Planeten ausübt. |
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Bei einem Karussell wird die erforderliche Radialkraft durch die Aufhängung der Gondel aufgebracht. |
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Bei Loopingbahnen muss die Bahn selbst die Radialkraft für die Kreisbewegung aufbringen. |
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Bei der Ablenkung von Elektronen im homogenen magnetischen Feld ist wirkt die Feldkraft als Radialkraft. |
Kräfte
im mitbewegten Bezugssystem
Ein solches mitbewegtes Bezugssystem ist ein bescheunigtes Bezugssystem
und damit kein Inertialsystem. Praktisch realisieren kann man das z.B.
so, dass ein Beobachter auf einer rotierenden Scheibe steht und von dort
aus den Sachverhalt beschreibt (Bild 4). Für einen solchen Beobachter
ergibt sich:
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Der Körper befindet sich in Ruhe. |
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Auf den Körper wirkt eine nach außen gerichtete Kraft, die man als Zentrifugalkraft oder Fliehkraft bezeichnet. Diese Zentrifugalkraft ist eine Trägheitskraft. Nähere Hinweise zu diesen Kräften sind unter dem betreffenden Stichwort zu finden. Die Zentrifugalkraft hat den gleichen Betrag wie die Radialkraft, kann damit ebenfalls nach den oben genannten Gleichungen berechnet werden. |
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Damit der Körper nicht nach außen fliegt, muss eine gleich große Kraft in der entgegengesetzten Richtung wirken. Sie wird z.B. durch einen Faden oder eine Aufhängung aufgebracht. |
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Reißt der Faden, an dem der Körper befestigt ist, so bewegt sich dieser radial weiter. |
Zentrifugalkräfte
haben in Physik und Technik eine überaus große Bedeutung. So
wirken z.B. auf alle Körper, die sich auf der Erdoberfläche
befinden, Zentrifugalkräfte, da die Erde um ihre Achse rotiert, wir
uns also auf der Erdoberfläche in einem mitbewegten (beschleunigten)
Bezugssystem befinden.
Beispiele aus der Technik, bei denen Zentrifugalkräfte genutzt werden,
sind Zentrifugen, Kreiselpumpen
oder Zentrifugalregler.
Gut beobachten kann man diese Kräfte auch bei einem Kettenkarussell.
Insbesondere bei schnell rotierenden Anordnungen müssen Zentrifugalkräfte
beachtet werden, können sich
doch lösende Teile aufgrund der hohen Geschwindigkeiten erhebliche
Schäden anrichten.