Impuls
22.09.2025
5
Das Rückstoßprinzip
Das Prinzip, das Raketen antreibt, ist eine direkte Anwendung des Impulserhaltungssatzes. Es unterscheidet sich von den bisher betrachteten Stößen, da keine zwei Körper kollidieren, sondern ein Körper Masse ausstößt.
Szenario:
Eine kleine Sonde der Gesamtmasse M_ges=200 kg schwebt in Ruhe im Weltraum. Um eine kleine Kurskorrektur vorzunehmen, stößt sie eine Gasmenge von m_Gas=0,5 kg mit einer hohen Geschwindigkeit von v_Gas=400m/s (relativ zur Sonde) aus einer Düse aus.
Das Prinzip, das Raketen antreibt, ist eine direkte Anwendung des Impulserhaltungssatzes. Es unterscheidet sich von den bisher betrachteten Stößen, da keine zwei Körper kollidieren, sondern ein Körper Masse ausstößt.
Szenario:
Eine kleine Sonde der Gesamtmasse M_ges=200 kg schwebt in Ruhe im Weltraum. Um eine kleine Kurskorrektur vorzunehmen, stößt sie eine Gasmenge von m_Gas=0,5 kg mit einer hohen Geschwindigkeit von v_Gas=400m/s (relativ zur Sonde) aus einer Düse aus.
- Erläutere das Funktionsprinzip des Rückstoßantriebs mithilfe des Impulserhaltungssatzes. Definiere dazu ein geeignetes abgeschlossenes System.
- Berechne die Geschwindigkeit v, die die Sonde nach dem Ausstoßen des Gases erhält.
- Eine Astronautin der Masse 85 kg (inkl. Ausrüstung) schwebt in Ruhe und hat nur noch einen Schraubenschlüssel der Masse 1kg bei sich. Argumentiere, wie sie zum Raumschiff zurückkehren kann und schätze ihre Geschwindigkeit ab, wenn sie den Schlüssel mit ca. 5 m/s wegwirft, reicht diese um zum Raumschiff zurückzukehren?
6
Die Kettenreaktion
Das Kugelstoßpendel (Newtons Wiege) ist ein bekanntes Beispiel für eine Kette von elastischen Stößen. Wir wollen das Verhalten genauer untersuchen.
Szenario:
Betrachten Sie ein ideales Kugelstoßpendel mit fünf identischen Kugeln der Masse . Reibung und Luftwiderstand werden vernachlässigt.
Das Kugelstoßpendel (Newtons Wiege) ist ein bekanntes Beispiel für eine Kette von elastischen Stößen. Wir wollen das Verhalten genauer untersuchen.
Szenario:
Betrachten Sie ein ideales Kugelstoßpendel mit fünf identischen Kugeln der Masse . Reibung und Luftwiderstand werden vernachlässigt.
- Beschreiben Sie die Beobachtung, wenn eine Kugel ausgelenkt wird und auf die vier ruhenden Kugeln trifft.
Analysieren Sie den Vorgang physikalisch. Warum bewegen sich die mittleren Kugeln nicht, sondern nur die letzte Kugel fliegt weg? Argumentieren Sie dabei mit dem Impuls- und Energieerhaltungssatz für den elastischen Stoß gleicher Massen. - Prognostizieren Sie das Ergebnis, wenn zwei Kugeln gemeinsam ausgelenkt werden und auf die restlichen drei treffen. Begründen Sie Ihre Prognose.
- Widerlegen Sie die folgende (falsche) Hypothese für den Fall aus a) argumentativ:
Die ankommende Kugel könnte auch mit halber Geschwindigkeit zurückprallen, während die letzte Kugel mit einer entsprechend höheren Geschwindigkeit wegfliegt, um den Impuls zu erhalten.
Zeigen Sie, warum dieser hypothetische Ausgang den Energieerhaltungssatz verletzen würde.
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