Wichtige Inhalte in diesem Video Die schiefe Ebene ist wohl eines der bekanntesten physikalischen Systeme überhaupt. Jeder von uns ist dem Prinzip der schiefen Ebene schon einmal begegnet, ob zum Heben von schweren Gegenständen oder beim Wandern im Gebirge. Hier erfährst du jetzt, wie solche schiefen Ebenen im Detail funktionieren. Falls dir das Lernen audiovisuell unterstützt leichter fällt, schau dir unbedingt unser Video zur schiefen Ebene an! Schiefe Ebene einfach erklärt im Video zur Stelle im Video springen (00:11) Die schiefe Ebene, schräge Ebene oder auch geneigte Ebene ist ein physikalisches System aus der klassischen Mechanik und beschreibt eine ebene, zur Horizontalen geneigte Fläche, auf der sich eine Masse unter dem Einfluss ihrer Gewichtskraft (und der Reibung) bewegt. Dabei können wir die Gewichtskraft in einen Teil senkrecht zur schiefen Ebene (die Masse "drückt auf die Ebene") und einen Anteil parallel zur Ebene (ihr Gewicht beschleunigt die Masse nach unten) zerlegen.
Im Gleichgewicht dieser beiden Kräfte ruht der Körper. Jetzt neigen wir die Ebene um den Neigungswinkel und erhalten die allgemeine, geneigte Ebene. In diesem Fall steht die Gewichtskraft nicht mehr senkrecht auf der Ebene und wir spalten sie auf in ihren Anteil senkrecht und parallel zur schiefen Ebene, und. Die senkrechte Komponente wird wieder durch die (jetzt verringerte) Normalkraft kompensiert. Schiefe Ebene und ihre Kräfte Der parallele Anteil beschleunigt die Masse auf der schiefen Ebene nach unten. Diese Gewichtskraftskomponente wird daher auch Hangabtriebskraft genannt:. Zudem wirkt auf den Körper eine Reibungskraft, da er auf der Ebene aufliegt (Luftreibung vernachlässigen wir). Ruht der Körper, wirkt der Hangabtriebskraft die Haftreibungskraft entgegen und wir finden. Die Haftreibungskraft kann in ihrer Wirkung maximal so groß sein wie die Hangabtriebskraft, (oder allgemein so groß wie die Summe aus allen eine Bewegung einleitenden Kräften). Wäre größer, würde sich der Körper aufgrund von Haftreibung nach oben bewegen!
Diesem zweiten Anteil wirkt die Reibungskraft entgegen. Je nach Stärke dieser Reibung kann die Bewegung der Masse auf der Ebene nach unten entweder beschleunigt sein oder mit konstanter Geschwindigkeit erfolgen. Die Masse kann also auch auf der schrägen Ebene ruhen. Schauen wir im Folgenden die wirkenden Kräfte auf einer schiefen Ebene genauer an. Schiefe Ebene Grundlagen im Video zur Stelle im Video springen (00:48) Beginnen wir unsere Diskussion der schiefen Ebene mit einem ihrer einfachen Spezialfälle, der waagrechten Ebene. Wir betrachten also eine Ebene mit Neigungswinkel 0 Grad zur Horizontalen und einen darauf liegenden Körper. Der Körper drückt jetzt mit seinem Gewicht auf die Ebene. Auf den Schwerpunkt des Körpers (wir beschäftigen uns hier mit der Kinematik dieses Massepunkts) wirkt also die Gewichtskraft, die gerade nach unten und damit senkrecht zur Ebene wirkt. direkt ins Video springen Waagerechte Ebene Die Ebene trägt die Masse und kompensiert daher, indem sie die entgegen gerichtete Normalkraft auf den Körper aufbringt.
Kommt es hier zu einer Bewegung des Körpers und wenn ja, was ist seine Beschleunigung? Die erste Frage beantworten wir durch Berechnung des Tangens. Es kommt also zu einer Bewegung nach unten. Jetzt bestimmen wir noch die zugehörige Beschleunigung:. Aufgabe 3 Zuletzt sollten wir verstehen, wie schiefe Ebenen verwendet werden können, um leichter schwere Dinge in die Höhe zu transportieren. Dazu sehen wir uns eine schräge Ebene an, die über die (horizontale) Länge eine Höhe von überwindet und schieben einen schweren Körper (vorerst reibungs frei) die Rampe hinauf. Wir fragen uns, um wie viel Prozent gegenüber simplem Anheben sich durch die Rampe der Kraftaufwand verringert und ob auch die zu verrichtende Arbeit dadurch abnimmt. Dann können wir noch die Reibung mit einem Gleitreibungskoeffizienten ins Spiel bringen und uns fragen, ab wann sich unsere Rampe vom Kraftaufwand her nicht mehr lohnt und wie es jetzt mit der zu verrichtenden Arbeit aussieht. Fangen wir an! Heben wir die Masse einfach an, brauchen wir die volle Gewichtskraft von.
Bewegt sich der Körper, wirkt die Gleitreibungskraft der Bewegung entgegen. Eine Bewegung nach oben wird also in jedem Fall gestoppt und geht entweder in die Ruhelage oder eine Bewegung nach unten über. Bewegt sich der Körper nach unten, kann das entweder beschleunigt oder mit einer konstanten (Anfangs-) Geschwindigkeit stattfinden. Wenn wir den Neigungswinkel immer weiter erhöhen, erreichen wir irgendwann den zweiten Spezialfall der schiefen Ebene: die senkrechte Ebene mit einem Neigungswinkel zur Horizontalen von 90 Grad. Hier ist offensichtlich und die gesamte Gewichtskraft wirkt als Hangabtriebskraft. Senkrechte Ebene Schiefe Ebene Formeln im Video zur Stelle im Video springen (01:43) Sehen wir uns jetzt die Formeln der einzelnen Kräfte auf die Masse an: Gewichtskraft Hangabtriebskraft Normalkraft Haftreibungskraft Gleitreibungskraft Die Reibungskoeffizienten und geben an, wie groß die Reibung eines Körpers abhängig von seinem Gewicht, das auf der Ebene lastet, ist. Dabei haben größere Massen offenbar auch eine größere Reibung.
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