Über diesen Rechner Der Rechner für die Verschiebung bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung löst s = v 0 t + 1 2 a t 2 s = v_0 t + \tfrac12 a t^2 s = v 0 t + 2 1 a t 2 : Aus der Anfangsgeschwindigkeit v 0 v_0 v 0 , der konstanten Beschleunigung a a a und der Zeit t t t ergibt sich die in dieser Zeit zurückgelegte Verschiebung s s s ; umgekehrt lassen sich aus Verschiebung und Zeit die Anfangsgeschwindigkeit oder die Beschleunigung berechnen – wie tief ein Stein nach 3 Sekunden gefallen ist, wie weit ein Auto beim Bremsen aus 100 km/h noch rollt, wie groß die mittlere Beschleunigung ist, wenn 100 m in 8 Sekunden zurückgelegt werden.
Sie ist die zweite der vier Grundgleichungen der Kinematik und bildet ein Paar mit dem Endgeschwindigkeitsrechner (v = v 0 + a t v = v_0 + at v = v 0 + a t ): Jene sagt, wie sich die Geschwindigkeit ändert, diese, wie weit man gekommen ist. Beide Gleichungen beschreiben physikalisch dasselbe – konstante Beschleunigung –, fragen aber nach verschiedenen Größen. Die Verschiebung ist die Fläche unter der Geraden im v–t-Diagramm; diese geometrische Deutung ist der rote Faden der Seite und die weniger auffällige Verbindung zur Trapezfläche .
Was er nicht tut: Er rechnet die Zeit nicht aus der Verschiebung zurück (das ist eine quadratische Gleichung; der Abschnitt zum Rechnen von Hand auf dieser Seite zeigt, wie es geht); er berechnet keine Endgeschwindigkeit (dafür der Partnerrechner); er behandelt keine Bewegung mit zeitlich veränderlicher Beschleunigung; er rechnet nur eindimensional – beim schrägen und beim waagerechten Wurf müssen horizontale und vertikale Richtung getrennt gerechnet werden; er rechnet keine Einheiten um.
Rechenbeispiele Alle vier Beispiele wurden mit compute aus der Engine phys-displacement nachgerechnet; die Anzeige erfolgt mit höchstens 8 Nachkommastellen ohne abschließende Nullen, die Einheiten sind m/s, m/s², s und m.
Beispiel 1: der freie Fall und die Folge 1 : 4 : 9
Eingabe: v 0 = 0 v_0 = 0 v 0 = 0 , a = 9.8 a = 9.8 a = 9.8 , t = 1 t = 1 t = 1 . s = 0 + 1 2 × 9.8 × 1 = 4.9 s = 0 + \tfrac12 \times 9.8 \times 1 = 4.9 s = 0 + 2 1 × 9.8 × 1 = 4.9 . Die Oberfläche zeigt: Verschiebung s 4.9 .
Setzt man die Zeit auf 2 und 3, zeigt die Oberfläche nacheinander 19.6 und 44.1 . Die drei Zahlen stehen im Verhältnis 4.9 : 19.6 : 44.1 = 1 : 4 : 9 4.9 : 19.6 : 44.1 = 1 : 4 : 9 4.9 : 19.6 : 44.1 = 1 : 4 : 9 – die Fallstrecke ist proportional zum Quadrat der Zeit. Der Zuwachs in jeder einzelnen Sekunde beträgt 4.9, 14.7 und 24.5, also 1 : 3 : 5; das ist das Gesetz der ungeraden Zahlen, das Galileo 1638 aus seinen Fallrinnen-Experimenten ableitete und das ihn erkennen ließ, dass die Geschwindigkeit der Zeit (und nicht dem Weg) proportional ist.
Beispiel 2: der Bremsweg aus 100 km/h
Ein Auto fährt 100 km/h (27.78 m/s 27.78\ \text{m/s} 27.78 m/s ) und wird mit − 5 m/s 2 -5\ \text{m/s}^2 − 5 m/s 2 abgebremst. Zuerst im Endgeschwindigkeitsrechner die Bremszeit 5.55555556 s zurückrechnen, dann hierher zurückkehren: v 0 = 27.77777778 v_0 = 27.77777778 v 0 = 27.77777778 , a = − 5 a = -5 a = − 5 , t = 5.55555556 t = 5.55555556 t = 5.55555556 . s = 27.78 × 5.56 − 1 2 × 5 × 5.56 2 = 154.32 − 77.16 = 77.16 s = 27.78 \times 5.56 - \tfrac12 \times 5 \times 5.56^2 = 154.32 - 77.16 = 77.16 s = 27.78 × 5.56 − 2 1 × 5 × 5.5 6 2 = 154.32 − 77.16 = 77.16 . Die Oberfläche zeigt: Verschiebung s 77.16049384 .
Probe: Die zeitfreie Gleichung v 2 = v 0 2 + 2 a s v^2 = v_0^2 + 2as v 2 = v 0 2 + 2 a s ergibt s = 27.78 2 / ( 2 × 5 ) = 77.1604938 s = 27.78^2 / (2 \times 5) = 77.1604938 s = 27.7 8 2 / ( 2 × 5 ) = 77.1604938 , dasselbe; auch die mittlere Geschwindigkeit 1 2 × 27.78 = 13.89 m/s \tfrac12 \times 27.78 = 13.89\ \text{m/s} 2 1 × 27.78 = 13.89 m/s mal 5.56 s ergibt 77.16. Der Bremsweg ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit : doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfacher Weg – das ist die physikalische Grundlage von Tempolimits.
Abbildung 1: Die Verschiebung ist die Fläche unter dem v–t-Diagramm (links: das Bremsdreieck aus Beispiel 2); das s–t-Diagramm ist eine Parabel (rechts: der freie Fall aus Beispiel 1, 1 : 4 : 9)
Beispiel 3: Beschleunigung und Anfangsgeschwindigkeit aus der Verschiebung zurückrechnen
Beschleunigung zurückrechnen : Ein Auto startet aus dem Stand und legt in 8 Sekunden 100 m zurück – wie groß ist die mittlere Beschleunigung? a a a leeren, v 0 = 0 v_0 = 0 v 0 = 0 , t = 8 t = 8 t = 8 , s = 100 s = 100 s = 100 eintragen: a = 2 × 100 / 64 = 3.125 a = 2 \times 100 / 64 = 3.125 a = 2 × 100/64 = 3.125 . Die Oberfläche zeigt: Beschleunigung a 3.125 .
Zum Vergleich der Wert a = 3.47222222 a = 3.47222222 a = 3.47222222 aus dem Endgeschwindigkeitsrechner für „in 8 Sekunden auf 100 km/h“: In denselben 8 Sekunden legt dieses Auto 1 2 × 3.47222222 × 64 = 111.11 \tfrac12 \times 3.47222222 \times 64 = 111.11 2 1 × 3.47222222 × 64 = 111.11 m zurück. Trägt man v 0 = 0 v_0 = 0 v 0 = 0 , a = 3.47222222 a = 3.47222222 a = 3.47222222 , t = 8 t = 8 t = 8 ein, zeigt die Oberfläche die Verschiebung 111.11111104 – die Endziffern 04 sind ein Rundungsrest aus der Rückrechnung mit 8 Nachkommastellen und kein Fehler.
Anfangsgeschwindigkeit zurückrechnen : Ein Körper legt unter der Abbremsung a = − 5 a = -5 a = − 5 in 2 Sekunden 50 m zurück – wie schnell war er beim Start? v 0 v_0 v 0 leeren, a = − 5 a = -5 a = − 5 , t = 2 t = 2 t = 2 , s = 50 s = 50 s = 50 eintragen: v 0 = ( 50 + 10 ) / 2 = 30 v_0 = (50 + 10)/2 = 30 v 0 = ( 50 + 10 ) /2 = 30 . Die Oberfläche zeigt: Anfangsgeschwindigkeit v₀ 30 .
Beispiel 4: senkrechter Wurf nach oben und ein Zug
Senkrechter Wurf nach oben (nach oben positiv, a = − 9.8 a = -9.8 a = − 9.8 ): Ein Ball wird mit 19.6 m/s geworfen, bei t = 2 t = 2 t = 2 ist s = 39.2 − 19.6 = 19.6 s = 39.2 - 19.6 = 19.6 s = 39.2 − 19.6 = 19.6 . Die Oberfläche zeigt: Verschiebung s 19.6 – das ist die Höhe des höchsten Punkts (dort ist v = 0 v = 0 v = 0 , siehe Beispiel 3 des Endgeschwindigkeitsrechners). Bei t = 4 t = 4 t = 4 ist s = 78.4 − 78.4 = 0 s = 78.4 - 78.4 = 0 s = 78.4 − 78.4 = 0 . Die Oberfläche zeigt: 0 – der Ball ist auf die Abwurfhöhe zurückgekehrt. Die Verschiebung ist null, aber der vom Ball zurückgelegte Weg beträgt 39.2 m: Die Verschiebung ist die gerichtete Nettoänderung, der Weg die insgesamt durchlaufene Länge.
Zug : Ein Zug, der mit 20 m/s fährt, beschleunigt 1 Minute lang mit 0.5 m/s². v 0 = 20 v_0 = 20 v 0 = 20 , a = 0.5 a = 0.5 a = 0.5 , t = 60 t = 60 t = 60 : s = 1200 + 900 = 2100 s = 1200 + 900 = 2100 s = 1200 + 900 = 2100 . Die Oberfläche zeigt: Verschiebung s 2100 . Der gleichförmige Anteil von 1200 m und die 900 m aus der Beschleunigung sind die beiden Summanden.
Die Bremsformel hält nicht von selbst an
Das Auto aus Beispiel 2 steht nach 5.56 s. Trägt man t = 8 t = 8 t = 8 ein, zeigt die Oberfläche die Verschiebung 62.22222224 – weniger als der Bremsweg. Die Formel weiß nicht, dass das Auto bereits steht, sie unterstellt weiterhin die Beschleunigung − 5 -5 − 5 und lässt das Auto „rückwärts beschleunigen“. Wer die Verschiebungsformel verwendet, muss zuerst sicherstellen, dass die Beschleunigung über das gesamte t t t konstant und die Bewegung noch im Gange ist.
Die Eingaben aus Beispiel 1 lassen sich direkt in das Panel übernehmen; ändert man die Zeit auf 1, 2 und 4, wächst die Verschiebung wie 1 : 4 : 9 : 16; mit der Beschleunigung 1.62 (Mond) fällt der Körper in denselben 3 Sekunden nur 7.29 m.
Grundlagen und Herleitung Die Verschiebung ist die Fläche unter dem v–t-Diagramm
Bei gleichförmiger Bewegung ist die Verschiebung = v t = vt = v t , die Fläche eines Rechtecks im v–t-Diagramm. Bei gleichmäßiger Beschleunigung ändert sich die Geschwindigkeit, aber man kann die Zeit in viele kleine Abschnitte zerlegen, jeden näherungsweise als gleichförmig betrachten, und die Summe der Verschiebungen ist die Fläche des Trapezes unter der Geraden. Die Gerade steigt von v 0 v_0 v 0 auf v 0 + a t v_0 + at v 0 + a t , die Trapezfläche ist = 1 2 ( v 0 + v 0 + a t ) t = v 0 t + 1 2 a t 2 = \tfrac12 (v_0 + v_0 + at)\,t = v_0 t + \tfrac12 a t^2 = 2 1 ( v 0 + v 0 + a t ) t = v 0 t + 2 1 a t 2 – daher stammt das 1 2 \tfrac12 2 1 . Das Bremsdreieck links in Abbildung 1 ist der Sonderfall, in dem v 0 = 27.78 v_0 = 27.78 v 0 = 27.78 auf 0 sinkt: Fläche 1 2 × 27.78 × 5.56 \tfrac12 \times 27.78 \times 5.56 2 1 × 27.78 × 5.56 . Der Trapezflächen-Rechner berechnet genau dasselbe.
Verständnis über die mittlere Geschwindigkeit
Bei konstanter Beschleunigung ist die mittlere Geschwindigkeit genau das arithmetische Mittel aus Anfangs- und Endgeschwindigkeit, v ˉ = 1 2 ( v 0 + v ) \bar v = \tfrac12 (v_0 + v) v ˉ = 2 1 ( v 0 + v ) , und die Verschiebung ist = v ˉ t = \bar v\, t = v ˉ t . Setzt man v = v 0 + a t v = v_0 + at v = v 0 + a t ein, erhält man wieder s = v 0 t + 1 2 a t 2 s = v_0 t + \tfrac12 at^2 s = v 0 t + 2 1 a t 2 . Das ist zugleich die vierte kinematische Gleichung s = 1 2 ( v 0 + v ) t s = \tfrac12 (v_0 + v)\,t s = 2 1 ( v 0 + v ) t . Sie gilt nur für gleichmäßige Beschleunigung – bei veränderlicher Beschleunigung ist die mittlere Geschwindigkeit nicht mehr der Mittelpunkt zwischen Anfangs- und Endwert.
Die Zeit eliminieren: v 2 = v 0 2 + 2 a s v^2 = v_0^2 + 2as v 2 = v 0 2 + 2 a s
Löst man v = v 0 + a t v = v_0 + at v = v 0 + a t nach t = ( v − v 0 ) / a t = (v - v_0)/a t = ( v − v 0 ) / a auf, setzt in die Verschiebungsformel ein und vereinfacht, erhält man v 2 = v 0 2 + 2 a s v^2 = v_0^2 + 2as v 2 = v 0 2 + 2 a s ohne Zeit. Beispiel 2 hat damit den Bremsweg geprüft. Multipliziert man beide Seiten mit 1 2 m \tfrac12 m 2 1 m , ergibt sich 1 2 m v 2 − 1 2 m v 0 2 = m a s = F s \tfrac12 m v^2 - \tfrac12 m v_0^2 = mas = Fs 2 1 m v 2 − 2 1 m v 0 2 = ma s = F s – der Arbeit-Energie-Satz : Die Arbeit der resultierenden Kraft ist gleich der Änderung der kinetischen Energie. Der Rechner für kinetische Energie übernimmt von hier.
Das s–t-Diagramm ist eine Parabel
s s s ist eine quadratische Funktion von t t t , der Graph ist eine Parabel (Abbildung 1 rechts). Bei v 0 = 0 v_0 = 0 v 0 = 0 liegt der Scheitel im Ursprung, die Öffnungsrichtung bestimmt das Vorzeichen von a a a . Die Tangentensteigung der Parabel an einer Stelle ist die momentane Geschwindigkeit: Bei t = 0 t = 0 t = 0 beträgt sie v 0 v_0 v 0 . Beim senkrechten Wurf nach oben ist das s–t-Diagramm eine nach unten geöffnete Parabel, der Scheitel ist der höchste Punkt und der zweite Schnittpunkt mit der Zeitachse der Zeitpunkt der Rückkehr auf die Abwurfhöhe (t = 4 t = 4 t = 4 in Beispiel 4).
Warum das Rückrechnen der Zeit eine quadratische Gleichung ist
Sind s s s , v 0 v_0 v 0 und a a a gegeben und t t t gesucht, ist 1 2 a t 2 + v 0 t − s = 0 \tfrac12 a t^2 + v_0 t - s = 0 2 1 a t 2 + v 0 t − s = 0 zu lösen. Es kann zwei positive Lösungen geben (der nach oben geworfene Ball passiert dieselbe Höhe zweimal: beim Aufstieg und beim Abstieg) oder keine (der Ball erreicht die Höhe nicht). Die Engine gibt deshalb in einem Feld keinen einzelnen Wert aus, um nicht stillschweigend eine Lösung zu verwerfen; bei Bedarf rechnet man wie in §3 Schritt 5 von Hand und betrachtet beide Lösungen.
Galileos Fallrinne
Der freie Fall ist zu schnell, 1638 gab es keine Uhr, die ihn messen konnte. Galileo ließ Kugeln eine glatte Fallrinne hinunterrollen, maß die Zeit mit einer Wasseruhr und fand, dass die Strecke proportional zum Quadrat der Zeit ist und dass die Strecken in aufeinanderfolgenden gleichen Zeitabschnitten im Verhältnis 1 : 3 : 5 : 7 stehen, und zwar unabhängig vom Neigungswinkel der Rinne. Daraus schloss er, dass der senkrechte Fall (Neigungswinkel 90°) sich ebenso verhält. Die Konstante g g g in s = 1 2 g t 2 s = \tfrac12 g t^2 s = 2 1 g t 2 wurde erst nach 1638 genau gemessen.