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Anwendung: Die Achterbahn

Ein Motor zieht den Wagen nur den Lifthügel hinauf, danach übernimmt die Energieerhaltung. Deshalb darf kein Hügel höher sein als der erste.

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Die Situation — Ein einziger Motor für die ganze Fahrt

Zweite große Anwendungsaufgabe — jetzt geht es auch wieder bergauf.

Eine Achterbahn hat einen Motor — und der läuft nur ganz am Anfang.

  • Der Lifthügel:Eine Kette zieht den Wagen den ersten Hügel hinauf.
  • Ausklinken:Oben klinkt die Kette aus, danach fährt der Wagen ohne jeden Antrieb weiter.
  • Die ganze Strecke:Durch Täler, über Hügel und wieder nach oben geht es allein mit der vorhandenen Energie.
  • Nur einmal Energie:Danach wird immer dieselbe Energie hin- und hergewandelt.
  • Höchster Punkt:Der Lifthügel ist immer der höchste Punkt — ein späterer Hügel wäre nicht zu überwinden.
  • Neu gegenüber dem freien Fall:Die Umwandlung läuft jetzt in beide Richtungen, mehrfach hintereinander.
Merke

Achterbahn: Ausgangslage

Antrieb: Nur am Anfang zieht eine Kette den Wagen auf den Lifthügel. Danach fährt er ohne Antrieb mit der vorhandenen Energie weiter.

Lifthügel: Er ist der höchste Punkt, ein späterer Hügel wäre nicht zu überwinden.

Umwandlung: Dieselbe Energie wird mehrfach hin- und hergewandelt, jetzt in beide Richtungen.

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Lösungsweg — Immer die Differenz, nie die volle Höhe

Fünf Teilfragen — und eine Falle in Teilfrage c).

Merke

Gegeben in dieser Aufgabe:

m = 900 kg  ·  h1 = 45 m  ·  h2 = 30 m  ·  g = 9,81 N/kg

m: Masse des voll besetzten Wagens: 900 kg.

h1: Höhe des Lifthügels: 45 m; dort startet der Wagen aus dem Stand.

Tal: Nach dem Lifthügel folgt ein Tal auf Bodenhöhe, also 0 m.

h2: Höhe des zweiten Hügels dahinter: 30 m.

g: Ortsfaktor auf der Erde: 9,81 N/kg.

Höhe: Eingesetzt wird immer die Höhendifferenz zwischen Ausgangszustand und gefragtem Zustand, nicht die volle Höhe.

Ansatz: Alle Teilfragen werden mit demselben Ansatz gelöst. Die Masse kürzt sich bei der Geschwindigkeit weg.

Entwertung: Fehlt gemessene Energie, steckt sie als innere Energie in Rädern, Schienen und Luft.

Zu dieser Fahrt gehören fünf Teilfragen:

  • a)Welche Lageenergie hat der Wagen oben am Lifthügel?
  • b)Wie schnell ist er unten im ersten Tal?
  • c)Wie schnell ist er oben auf dem zweiten Hügel?
  • d)Wie hoch dürfte der zweite Hügel höchstens sein?
  • e)Gemessen werden im Tal nur 27 m/s — wie viel Prozent der Energie sind entwertet?

Der entscheidende Unterschied zum freien Fall steckt in der Höhe, die du einsetzt.

  • Nicht mehr blind:Du darfst h = 45 m nicht mehr überall einsetzen.
  • Was zählt:Immer die Höhendifferenz zwischen Ausgangszustand und gefragtem Zustand.
  • Beispiel:Vom Lifthügel zum zweiten Hügel sind das nur 45 m − 30 m = 15 m.
Merke

Geschwindigkeit nach einer Höhendifferenz:

v = √(2 · g · Δh)

Δh: Höhendifferenz zwischen Start (in Ruhe) und gefragtem Punkt.

v: Geschwindigkeit am gefragten Punkt, ohne Reibung.

Interaktiv: Die Achterbahn

Ein Wagen mit 600 kg startet in 20 m Höhe mit 10 m/s. Entlang der Strecke wandeln sich die beiden Energieformen ineinander um — die Summe bleibt konstant.

Energiebilanz entlang der Fahrt

Die Marken ①②③ sind die drei Zeitpunkte aus der Aufgabe.

147 720 J
½ · 600 · 10² + 600 · 9,81 · 20
Achterbahnstrecke mit Starthügel, Looping und Abschlusshügel; ein Wagen fährt darauf entlang 0 m5101520 Balkendiagramm mit Lageenergie, Bewegungsenergie und ihrer konstanten Summe E_pot E_kin Summe
Höhe h20,0 m
Geschwindigkeit v10,0 m/s
v in km/h36 km/h
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Allgemeine Hinweise

Immer die Höhendifferenz einsetzen

Für den zweiten Hügel gilt nicht h = 45 m, sondern 45 m − 30 m = 15 m. Nur dieser Unterschied wurde in Bewegungsenergie umgewandelt, sonst käme viel zu viel heraus.

Ein festes Energiebudget

Die Lageenergie vom Lifthügel ist alles, was die Fahrt hat — die Kette ist ausgeklinkt. Deshalb darf kein späterer Hügel höher als 45 m sein.

Prozente über zwei Energien

Rechne erst die Bewegungsenergie im Tal aus und ziehe sie von der Startenergie ab. Die Differenz teilst du durch den Startwert — erst das ergibt den entwerteten Anteil.

Videos zur Achterbahn