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Bewegung und Geschwindigkeit

Geschwindigkeit als Verhältnis von Strecke und Zeit, ihre Einheit und Messung sowie Energieumwandlung und Energieerhaltung

Einführung

In der Regel kommen bei einem 100-Meter-Sprint, etwa bei den Bundesjugendspielen, alle Teilnehmer nach unterschiedlichen Zeiten ins Ziel, obwohl sie alle gleichzeitig loslaufen. Der Grund hierfür ist, dass die Teilnehmer beim Sprint unterschiedliche Durchschnittsgeschwindigkeiten haben. Wer eine höhere Geschwindigkeit hat, kommt schneller ins Ziel. Usain Bolt hatte bei seinem Weltrekord über 100 Meter zum Beispiel eine Geschwindigkeit von $10,44\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$ im Mittel.

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Da sprinten auf Dauer sehr anstrengend und gehen sehr langsam ist, hat man das Fahrrad entwickelt. Mit dem Fahrrad erreichst du höhere Geschwindigkeiten als zu Fuß. Das heißt, dass du auf der selben Strecke mit dem Fahrrad schneller bist.

Fahrrad

Noch schneller bist du mit dem Auto, da es noch höhere Geschwindigkeiten erreicht als ein Fahrrad. Mit dem Auto kannst du also größere Entfernungen in annehmbarer Zeit zurücklegen. Mit einem Flugzeug könntest du sogar auf andere Kontinente fliegen und mit Raketen zu anderen Planeten. In der Regel solltest du also die Wahl deines Fortbewegungsmittel an der zurückzulegenden Strecke orientieren.

Geschwindigkeit

Du hast nun gelernt, dass die Geschwindigkeit etwas mit der Strecke oder dem Weg zu tun hat. Sie hängt aber auch von der Zeit ab, die dafür benötigt wird. Das 100-Meter-Sprint Beispiel zeigt, dass jeder Teilnehmer die gleichen 100 Meter rennen muss. Die durchschnittliche Geschwindigkeit bestimmt, wie lange sie dafür brauchen. Die Geschwindigkeit ist also das Verhältnis aus Strecke und Zeit. In der Physik wird die Geschwindigkeit als $v$ bezeichnet, vom englischen „velocity“. Die Strecke oder der Weg ist mit $s$ abgekürzt. Das Formelzeichen für die Zeit ist $t$, vom englischen „time“. Es gilt also:

$ \text{Geschwindigkeit} = \dfrac{\text{zur}\ddot{\text{u}}\text{ckgelegte Strecke}}{\text{daf}\ddot{\text{u}}\text{r ben}\ddot{\text{o}}\text{tigte Zeit}} \text{ oder } v=\dfrac{s}{t} $ .

Wer für eine große Strecke viel Zeit benötigt hat eine geringere Geschwindigkeit als jemand, der für die gleiche Strecke weniger Zeit benötigt. Bewegst du dich in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts, so spricht man von einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung. Befindest du dich in einem geschlossenen System, etwa einem Bahnwagon ohne Fenster, so könntest du keinen Unterschied zwischen gleichförmiger Bewegung oder Stillstand feststellen.

Einheit und Messung der Geschwindigkeit

Die Einheit der Geschwindigkeit ist das Verhältnis der Einheiten von Strecke und Zeit. Die Einheit einer Strecke ist Meter (m), die Einheit der Zeit ist üblicherweise Sekunde (s). Demnach ist die Einheit der Geschwindigkeit Meter pro Sekunde ($\frac{\text{m}}{\text{s}}$). Im Alltag ist es aber eher gebräuchlich, die Einheit Kilometer pro Stunde ($\frac{\text{km}}{\text{h}}$) zu verwenden. In dieser Einheit wird auch die erlaubte Höchstgeschwindigkeit auf der Straße angegeben.

Die Einheit verrät auch, wie du die Geschwindigkeit messen kannst. Zum Einen musst du die genaue Strecke kennen, um die es sich handelt. Das könnten die 100 Meter aus dem Sprint Beispiel sein, das könnten aber auch die 10 Kilometer Schulweg sein. Zum Anderen musst du die Zeit messen, die für das Zurücklegen dieser Strecke benötigt wird. Das kannst du zum Beispiel mit einer Stoppuhr machen. Anschließend musst die beiden Größen durcheinander teilen.

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Alternativ gibt es auch Geräte, die die Geschwindigkeit direkt messen können. Ein solches Gerät heißt Tachometer und ist in jedem Auto verbaut.

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Energieformen

Abschließend solltest du dir das Fahrradfahren noch einmal genau anschauen. Du weißt nun, was Geschwindigkeit ist und wie du sie messen kannst. Aber wie kriegst du das Fahrrad überhaupt dazu, sich zu bewegen? Dazu übst du Kraft mit deinen Beinen auf die Pedale aus. Die Kraft deiner Beine stammt von der Energie in deinen Muskeln. Du überträgst die Energie deiner Muskeln also auf deine Pedale. Diese wiederum übertragen Bewegungsenergie über die Kette auf das Rad, das sich dreht und damit das Fahrrad antreibt. Es gibt demnach verschieden Energieformen.

Nun stell dir vor es ist dunkel und du musst dein Licht anschalten. Dann überträgt das Rad Energie auf den Dynamo. Dieser wiederum wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, die über die Kabel zum Scheinwerfer gelangt. Dieser leuchtet hell und sendet Strahlungsenergie aus. Und woher kommt die Energie in deinen Muskeln? Du nimmst Nahrung zu dir, die chemische Energie enthält, die wiederum von der Sonne stammt. Chemische Energie ist auch in Benzin enthalten. Der Motor eines Autos wandelt diese in Bewegungsenergie um.

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Wichtig ist also, dass es verschieden Formen der Energie gibt und dass du Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen kannst. Dabei kann sich die Energieform wandeln. Energie kann sich immer nur von einer Form in eine andere umwandeln, Energie kann niemals erzeugt oder vernichtet werden. Diese sogenannte Energieerhaltung ist eines der wichtigsten Prinzipien der Physik.