Ein Achterbahnwagen mit der Masse m=500kg startet aus der Ruhe an der höchsten Stelle der Bahn in einer Höhe von h1=40m. Reibung und Luftwiderstand werden zunächst vernachlässigt.
Gegeben:
Masse: m=500kg
Starthöhe: h1=40m
Anfangsgeschwindigkeit: v0=0sm
Erdbeschleunigung: g=9,81s2m
Gesucht:
(a) Die Geschwindigkeit v1 am tiefsten Punkt der Bahn (h=0).
(b) Die Geschwindigkeit v2 an einem Punkt in der Höhe h2=15m.
(c) Diskussion: Welchen Einfluss haben Reibungsverluste auf die realen Geschwindigkeiten?
Lösungsweg
Schritt 1: Energieerhaltungssatz aufstellen
Ohne Reibung gilt der Energieerhaltungssatz:
Epot+Ekin=const.
Am Startpunkt hat der Wagen nur potentielle Energie (da v0=0):
Egesamt=m⋅g⋅h1=500kg⋅9,81s2m⋅40m
Egesamt=196200J=196,2kJ
Schritt 2: Geschwindigkeit am tiefsten Punkt
Am tiefsten Punkt (h=0) ist die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt:
m⋅g⋅h1=21mv12
Die Masse m kürzt sich heraus:
g⋅h1=21v12
v1=2gh1=2⋅9,81s2m⋅40m
v1=784,8s2m2
v1≈28,0sm≈100,8hkm
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=15m gilt:
m⋅g⋅h1=m⋅g⋅h2+21mv22
Wieder kürzt sich m:
g⋅(h1−h2)=21v22
v2=2g(h1−h2)=2⋅9,81⋅(40−15)sm
v2=2⋅9,81⋅25sm=490,5sm
v2≈22,1sm≈79,7hkm
Schritt 4: Energieverteilung auf Höhe 15 m
Zur Veranschaulichung berechnen wir die Energieaufteilung bei h2=15m:
Epot=m⋅g⋅h2=500⋅9,81⋅15J=73575J
Ekin=21mv22=21⋅500⋅22,12J≈122103J
Probe:Epot+Ekin=73575+122103≈195678J≈196200J ✓
(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+EVerlust
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) wird als Wärme an die Umgebung abgegeben.
Ergebnis
Größe
Idealwert (ohne Reibung)
Gesamtenergie am Start
E=196,2kJ
Geschwindigkeit am tiefsten Punkt
v1≈28,0sm≈100,8hkm
Geschwindigkeit auf 15m Höhe
v2≈22,1sm≈79,7hkm
In der Realität sind die Geschwindigkeiten durch Reibungsverluste stets kleiner als die hier berechneten Idealwerte.