Mittelstufe Natur & Technik 10 Punkte · ~20 Min.

Energieumwandlung auf der Achterbahn

Aufgabenstellung

Ein Achterbahnwagen mit der Masse m=500 kgm = 500 \, \text{kg} startet aus der Ruhe an der höchsten Stelle der Bahn in einer Höhe von h1=40 mh_1 = 40 \, \text{m}. Reibung und Luftwiderstand werden zunächst vernachlässigt.

Gegeben:

  • Masse: m=500 kgm = 500 \, \text{kg}
  • Starthöhe: h1=40 mh_1 = 40 \, \text{m}
  • Anfangsgeschwindigkeit: v0=0 msv_0 = 0 \, \frac{\text{m}}{\text{s}}
  • Erdbeschleunigung: g=9,81 ms2g = 9{,}81 \, \frac{\text{m}}{\text{s}^2}

Gesucht:

  • (a) Die Geschwindigkeit v1v_1 am tiefsten Punkt der Bahn (h=0h = 0).
  • (b) Die Geschwindigkeit v2v_2 an einem Punkt in der Höhe h2=15 mh_2 = 15 \, \text{m}.
  • (c) Diskussion: Welchen Einfluss haben Reibungsverluste auf die realen Geschwindigkeiten?

Lösungsweg

Schritt 1: Energieerhaltungssatz aufstellen

Ohne Reibung gilt der Energieerhaltungssatz:

Epot+Ekin=const.E_{\text{pot}} + E_{\text{kin}} = \text{const.}

Am Startpunkt hat der Wagen nur potentielle Energie (da v0=0v_0 = 0):

Egesamt=m⋅g⋅h1=500 kg⋅9,81 ms2⋅40 mE_{\text{gesamt}} = m \cdot g \cdot h_1 = 500 \, \text{kg} \cdot 9{,}81 \, \frac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot 40 \, \text{m}

Egesamt=196 200 J=196,2 kJ\boxed{E_{\text{gesamt}} = 196\,200 \, \text{J} = 196{,}2 \, \text{kJ}}

Schritt 2: Geschwindigkeit am tiefsten Punkt

Am tiefsten Punkt (h=0h = 0) ist die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt:

m⋅g⋅h1=12 m v12m \cdot g \cdot h_1 = \frac{1}{2} \, m \, v_1^2

Die Masse mm kürzt sich heraus:

g⋅h1=12 v12g \cdot h_1 = \frac{1}{2} \, v_1^2

v1=2 g h1=2⋅9,81 ms2⋅40 mv_1 = \sqrt{2 \, g \, h_1} = \sqrt{2 \cdot 9{,}81 \, \frac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot 40 \, \text{m}}

v1=784,8 m2s2v_1 = \sqrt{784{,}8 \, \frac{\text{m}^2}{\text{s}^2}}

v1≈28,0 ms≈100,8 kmh\boxed{v_1 \approx 28{,}0 \, \frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 100{,}8 \, \frac{\text{km}}{\text{h}}}

Wichtige Erkenntnis: Die Geschwindigkeit am tiefsten Punkt ist unabhängig von der Masse des Wagens!

Schritt 3: Geschwindigkeit auf Höhe 15 m

Auf der Höhe h2=15 mh_2 = 15 \, \text{m} gilt:

m⋅g⋅h1=m⋅g⋅h2+12 m v22m \cdot g \cdot h_1 = m \cdot g \cdot h_2 + \frac{1}{2} \, m \, v_2^2

Wieder kürzt sich mm:

g⋅(h1−h2)=12 v22g \cdot (h_1 - h_2) = \frac{1}{2} \, v_2^2

v2=2 g (h1−h2)=2⋅9,81⋅(40−15) msv_2 = \sqrt{2 \, g \, (h_1 - h_2)} = \sqrt{2 \cdot 9{,}81 \cdot (40 - 15)} \, \frac{\text{m}}{\text{s}}

v2=2⋅9,81⋅25 ms=490,5 msv_2 = \sqrt{2 \cdot 9{,}81 \cdot 25} \, \frac{\text{m}}{\text{s}} = \sqrt{490{,}5} \, \frac{\text{m}}{\text{s}}

v2≈22,1 ms≈79,7 kmh\boxed{v_2 \approx 22{,}1 \, \frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 79{,}7 \, \frac{\text{km}}{\text{h}}}

Schritt 4: Energieverteilung auf Höhe 15 m

Zur Veranschaulichung berechnen wir die Energieaufteilung bei h2=15 mh_2 = 15 \, \text{m}:

Epot=m⋅g⋅h2=500⋅9,81⋅15 J=73 575 JE_{\text{pot}} = m \cdot g \cdot h_2 = 500 \cdot 9{,}81 \cdot 15 \, \text{J} = 73\,575 \, \text{J}

Ekin=12 m v22=12⋅500⋅22,12 J≈122 103 JE_{\text{kin}} = \frac{1}{2} \, m \, v_2^2 = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot 22{,}1^2 \, \text{J} \approx 122\,103 \, \text{J}

Probe: Epot+Ekin=73 575+122 103≈195 678 J≈196 200 JE_{\text{pot}} + E_{\text{kin}} = 73\,575 + 122\,103 \approx 195\,678 \, \text{J} \approx 196\,200 \, \text{J} ✓

(Die kleine Abweichung entsteht durch Rundung.)

Schritt 5: Diskussion der Energieverluste

In der Realität treten Energieverluste auf durch:

  • Reibung zwischen Rädern und Schiene (Wärmeenergie)
  • Luftwiderstand (Wärmeenergie und Verwirbelung)
  • Verformung der Schiene und des Wagens (Verformungsenergie)

Der Energieerhaltungssatz wird erweitert:

Epot,Start=Ekin+Epot+EVerlustE_{\text{pot,Start}} = E_{\text{kin}} + E_{\text{pot}} + E_{\text{Verlust}}

Folgen der Energieverluste:

  • Die tatsächlichen Geschwindigkeiten sind geringer als die berechneten Idealwerte.
  • Der Wagen kann eine Anhöhe, die genauso hoch ist wie der Startpunkt, nicht erreichen.
  • Die Differenz ΔE=Egesamt−(Ekin+Epot)\Delta E = E_{\text{gesamt}} - (E_{\text{kin}} + E_{\text{pot}}) wird als Wärme an die Umgebung abgegeben.

Ergebnis

GrößeIdealwert (ohne Reibung)
Gesamtenergie am StartE=196,2 kJE = 196{,}2 \, \text{kJ}
Geschwindigkeit am tiefsten Punktv1≈28,0 ms≈100,8 kmhv_1 \approx 28{,}0 \, \frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 100{,}8 \, \frac{\text{km}}{\text{h}}
Geschwindigkeit auf 15 m15 \, \text{m} Höhev2≈22,1 ms≈79,7 kmhv_2 \approx 22{,}1 \, \frac{\text{m}}{\text{s}} \approx 79{,}7 \, \frac{\text{km}}{\text{h}}

In der Realität sind die Geschwindigkeiten durch Reibungsverluste stets kleiner als die hier berechneten Idealwerte.