Zusammenhang Ruck, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg

Auf dieser Seite wird der Zusammenhang zwischen Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck anhand von Diagrammen und Formeln bzw. Herleitungen ausführlich erklärt. Zudem wird der Unterschied zwischen Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit erläutert.

Abschließend findet man zu diesem Thema noch ein ausführliches praktisches Beispiel, wie es oft in der Schule vorkommt. Es werden unter anderem berechnet: Durchschnitts-, Anfangs-, Aufprall- und Momentangeschwindigkeit, Steigungen der Tangente (Differentialquotient) und Sekante (Differenzenquotient).

Inhaltsverzeichnis

Berechnung der Größen durch Integrieren

Die Beschleunigung kann sowohl positiv als auch negativ (= Verzögerung oder Bremsen) sein. Die SI-Einheit der Beschleunigung ist m/s². Die Beschleunigung a(t) wird durch Integration des Rucks j(t) nach der Zeit t berechnet:

Beschleunigung a(t)

Die SI-Einheit der Geschwindigkeit ist m/s. Die Umrechnung von m/s in km/h ist einfach: Multipliziert man die Geschwindigkeit in m/s mit 3.6, so erhält man die km/h. Die Geschwindigkeit v(t) erhält man durch Integration der Beschleunigung a(t) nach der Zeit t:

Geschwindigkeit v(t)

Die SI-Einheit des Weges ist m. Der Weg s(t) wird durch Integration der Geschwindigkeit v(t) nach der Zeit t berechnet:

Weg s(t)

Bestimmung Geschwindigkeit und Weg (konstante Beschleunigung)

Die Beschleunigung sei bekannt und betrage konstant a (das heißt, sie ist unabhängig von der Zeit). Die Geschwindigkeit erhält man durch Integration der Beschleunigung:

 

v(t) = ∫(a)dt = a⋅t + C

 

Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt die Geschwindigt v0 (= Anfangsgeschwindigkeit). Das t in der obigen Gleichung wird somit durch 0 ersetzt, die Integrationskonstante C wird folglich zu v0, da der erste Term durch die Multiplikation mit 0 verschwindet:

 

v(0) = a⋅0 + C = C = v0

 

Daher lautet die Formel für die Geschwindigkeit v(t):

(vgl. Abbildung 2, 3. Zeile, 2. Spalte)

 

v(t) = a⋅t + v0

 

Integriert man die Geschwindigkeit nach der Zeit, bekommt man den Weg:

Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt der Weg s0. Damit ist die Integrationskonstante C1 = s0 und die Formel für den Weg s(t) lautet daher:

Genau diese Formel kommt in einem ausführlichen Beispiel weiter unten vor: h(t) = 20⋅t - 5⋅t² + 15, anders angeschrieben: s(t) = -10/2⋅t² + 20⋅t + 15. Der Luftwiderstand wird vernachlässigt. Man kann die einzelnen Werte direkt ablesen:

  • Beschleunigung a = -10 m/s², das entspricht der gerundeten Erdbeschleunigung g. Sie ist in diesem Fall negativ, da sie der Bewegungsrichtung entgegen wirkt.
  • Anfangsgeschwindigkeit v0 = 20 m/s
  • Anfangsweg (≙ Höhe) s0 = 15 m

 

Oftmals ist jedoch zum Zeitpunkt t = 0 der Weg s0 Null. In diesem Fall wird s0 zu 0.

(vgl. Abbildung 2, 1. Zeile, 3. Spalte)

Grafischer Zusammenhang - erklärt anhand eines Beispiels

Ein bestimmtes Integral berechnet in einem vorgegebenen Intervall stets die von der Kurve und der x-Achse eingeschlossene Fläche.

Die Fläche unterhalb der Beschleunigungsfunktion (Abbildung 1) im Intervall [t0; t1] ist daher die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t1, die Fläche zwischen Kurve und x-Achse in Abbildung 2 entspricht dem zurückgelegten Weg. Eventuell vorhandene Anfangsbedingungen müssen stets berücksichtigt werden.

 

 

Angabe:

Die Beschleunigung sei konstant 1.25 m/s², die Anfangsgeschwindigkeit v0 beträgt 10 m/s. Setzt man diese Werte in die vorhin hergeleiteten Formeln ein, erhält man die folgenden drei Diagramme.

 

In Abbildung 1 sieht man die Beschleunigung a in Abhängigkeit von der Zeit t:

Diagramm mit der Beschleunigung a in Abhängigkeit von der Zeit t
Abbildung 1: Beschleunigung a in Abhängigkeit von der Zeit t

Für die Geschwindigkeit v(t) ergibt sich mit der Anfangsgeschwindigkeit v0 = 10 m/s die folgende Formel: v(t) = 1.25⋅t + 10.

 

Dieser lineare Zusammenhang ist in der nächsten Abbildung dargestellt:

Diagramm mit der Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit t
Abbildung 2: Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit t

Aus dem Diagramm bzw. mit Hilfe der Formel für v(t) kann die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t1 (t = 16 s) bestimmt werden: sie beträgt demnach 30 m/s.

 

Alternative:

Die Fläche unterhalb der Funktion in Abbildung 1 im Intervall [t0; t1] ist: 1.25 m/s²⋅16 s = 20 m/s. Zum Zeitpunkt t0 beträgt die Anfangsgeschwindigkeit 10 m/s, dieser Wert wird zu 20 m/s addiert. Das ergibt 30 m/s. Dieser Wert entspricht der vorhin ermittelten Geschwindigkeit.

 

 

Die Formel für den Weg s(t) lautet: s(t) = 1.25/2⋅t² + 10⋅t. Diese quadratische Funktion ist in Abbildung 3 zu sehen:

Diagramm mit dem Weg s in Abhängigkeit von der Zeit t
Abbildung 3: Weg s in Abhängigkeit von der Zeit t

Der Weg zum Zeitpunkt t1 (t = 16 s) beträgt somit 320 m.

 

Alternative:

Die Fläche unterhalb der Funktion in Abbildung 2 bestimmen:

Berechnung der Größen durch Differenzieren

Für die Berechnung der Momentangeschwindigkeit und der Beschleunigung

durch Differenzieren gibt es auch ein praktisches Beispiel!

 

 

Die Geschwindigkeit v(t) erhält man durch Ableiten des Weges s(t) nach der Zeit t, siehe dazu auch "Berechnung der Momentangeschwindigkeit" weiter unten:

Die Beschleunigung a(t) ist die Ableitung der Geschwindigkeit v(t) bzw. die zweite Ableitung des Weges s(t) nach der Zeit t:

Die SI-Einheit des Ruckes ist m/s³. Den Ruck j(t) berechnet man wie folgt:

Durchschnitts- & Momentangeschwindigkeit

Für die Berechnung der Durchschnitts- und Momentan-

Geschwindigkeit gibt es auch ein praktisches Beispiel!

Durchschnittsgeschwindigkeit

Die Durchschnittsgeschwindigkeit v im Intervall [t0; t1] - auch mittlere Geschwindigkeit genannt - wird mit dem Differenzenquotienten bestimmt:

Formel zur Berechnung der Durchschnittsgeschwindigkeit (Differenzenquotient)
Durchschnittsgeschwindigkeit

Der Differenzenquotient entspricht der Steigung k der Sekante (gelbe Linie), vgl. Abbildung 4.

Momentangeschwindigkeit

Die momentane Geschwindigkeit v zum Zeitpunkt t0 (auch als momentane Änderungsrate bezeichnet) wird mit dem Differentialquotienten ermittelt (= erste Ableitung des Weges nach der Zeit):

Formel zur Berechnung der Momentangeschwindigkeit (Differentialquotient)
Momentangeschwindigkeit

Um die Momentangeschwindigkeit zu bekommen, setzt man in die erste Ableitung für t den Wert t0 ein. Der Differentialquotient entspricht der Steigung k der Tangente (grüne Linie) zum Zeitpunkt t0, vgl. Abbildung 4.

Ausführliches Beispiel aus der Praxis

Angabe

Eine Kugel oder ein Ball wird zum Zeitpunkt t = 0 s von einem Turm senkrecht in die Höhe geschossen (lotrechter Wurf nach oben). Die Funktionsgleichung für die Höhe in Abhängigkeit von der Zeit lautet: h(t) = 20⋅t - 5⋅t² + 15.

  1. Wie hoch ist der Turm?
  2. Wie groß ist die Abschussgeschwindigkeit? Gib die Geschwindigkeit auch in km/h an!
  3. Wann hat die Kugel die größte Höhe erreicht und wie hoch ist sie dann?
  4. Berechne die Momentangeschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 1 und die Gleichung der Tangente!
  5. Ermittle die Durchschnittsgeschwindigkeit im Intervall [1; 2] und die Gleichung der Sekante!
  6. Wann und mit welcher Geschwindigkeit trifft sie auf dem Boden auf?
  7. Bestimme die Beschleunigung in Abhängigkeit von t!
  8. Zeichne h(t), v(t) und a(t).

 

Hier geht's direkt zu den Lösungen: a), b), c), d), e), f), g), h)

 

Wie man auf die Funktion h(t) der Angabe kommen kann, wird weiter oben erklärt.

Lösungen

Antwort a)

Um die Höhe des Turmes zu bestimmen, muss man in der Funktionsgleichung h(t) t gleich Null setzen:

h(0) = 20⋅0 - 5⋅0² + 15. Die ersten beiden Terme fallen weg, somit erhält man: h(0) = 15. Der Turm ist also 15 m hoch.

 

Antwort b)

Um die Momentangeschwindigkeit zu erhalten, muss man h(t) einmal nach t ableiten: v(t) = 20 - 10⋅t.

Zum Zeitpunkt des Abschusses ist t gleich 0, also erhält man: v(0) = 20 - 10⋅0 = 20 m/s. Um km/h zu erhalten, multipliziert man die Geschwindigkeit in m/s einfach mit 3.6: 20⋅3.6 = 72 km/h.

 

Antwort c)

Die größte Höhe hat die Kugel dann erreicht, wenn die Geschwindigkeit Null wird. Also: v(t) = 0 = 20 - 10⋅t. Durch Umformen erhält man: t = 2 s.

Andere Überlegung: Die größte Höhe muss ein Extremwert der Funktion h(t) sein ("Hochpunkt"). Extremwerte berechnet man, indem man die erste Ableitung der Funktion bildet und diese gleich Null setzt, da hier die Tangente waagrecht verläuft und somit die Steigung 0 sein muss, siehe auch Steigung der Tangente.

 

Um die gesuchte Höhe zu erhalten, setzt man für t den eben ermittelten Wert ein:

h(2) = 20⋅2 - 5⋅2² + 15 = 35 m.

 

Antwort d)

Die Momentangeschwindigkeit wurde schon unter b) berechnet. Um die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 2 zu erhalten, setzt man t gleich 1: v(1) = 20 - 10⋅1 = 10 m/s.

 

Die Gleichung einer Geraden lautet allgemein: f(x) = y = k⋅x + d. Im vorliegenden Fall wird x durch t ersetzt: f(t) = y = k⋅t + d. Die Steigung ist bekannt, sie entspricht der eben berechneten Geschwindigkeit: k = 10. Die t-Koordinate ist 1, den y-Wert erhält man, wenn man 1 für t in h(t) einsetzt: h(1) = 20⋅1 - 5⋅1² + 15 = y = 30. Somit lautet die Geradengleichnung: 30 = 10⋅1 + d. Durch Umformen ergibt sich d = 20. Nun setzt man in y = k⋅t + d die ermittelten Werte für k und d ein und erhält damit die gesuchte Tangentengleichung:

y = 10⋅t + 20.

 

Antwort e)

Die Durchschnittsgeschwindigkeit v im Intervall [1; 2], die der Steigung k der Sekante entspricht, wird mit dem Differenzenquotienten ermittelt. Den Wert h(t1) = h(2) = 35 kennt man schon aus Antwort c), h(t0) = h(1) muss noch bestimmt werden, indem man für t die Zahl 1 in h(t) einsetzt: h(1) = 20⋅1 - 5⋅1² + 15 = 30 m. Mit den nun erhaltenen Werten kann der Differenzenquotient beerechnet werden:

 

Die Gleichung der Sekante bestimmt man ähnlich wie in d). In die allgemeine Geradengleichung setzt man einen Punkt und die soeben berechnete Steigung k (≙ dem Differenzenquotienten) ein: f(2) = 35 = 5⋅2 + d. Formt man dies um, erhält man d = 25 und damit die Sekantengleichung: y = 5⋅t + 25.

 

Antwort f)

Die Kugel trifft am Boden auf, wenn die Höhe Null ist. Also setzt man h(t) gleich 0:

0 = 20⋅t - 5⋅t² + 15. Diese quadratische Gleichung löst man mit der sogenannten kleinen oder großen Lösungsformel. Man erhält: t1,2 = 2 ± √(7) s. Es ist nur die positive Lösung gültig, also beträgt t ≈ 4.65 s.

Andere Überlegung: Der Auftreffpunkt muss eine Nullstelle der Funktion h(t) sein. Nullstellen werden berechnet, indem man die Funktion gleich Null setzt.

 

Die Auftreffgeschwindigkeit bestimmt man, indem man in der Gleichung von der Geschwindigkeit t gleich 4.65 setzt: v(4.65) = 20 - 10⋅4.65 = -26.5 m/s. Da die Kugel nicht mehr hinauf- sondern hinunterfliegt, ist die Geschwindigkeit nun negativ!

 

Antwort g)

Die Beschleunigung ist die zweite Ableitung des Weges bzw. die erste Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit t. Man erhält: a(t) = -10 m/s². Die Beschleunigung ist also konstant und nicht mehr von t abhängig, d. h. sie ist zu jedem Zeitpunkt t gleich groß.

 

Antwort h)

Abbildung 4 zeigt das Weg-Zeit Diagramm, ergänzt mit der Sekante für das Intervall [1; 2] und der Tangente im Punkt P0 (1/30).

In den Abbildungen 5 bzw. 6 sieht man die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit t bzw. die konstante Beschleunigung a.

Weg-Zeit Diagramm mit Differenzen- und Differentialquotient
Abbildung 4: Weg-Zeit Diagramm mit Differenzen- und Differentialquotient
Geschwindigkeit-Zeit Diagramm
Abbildung 5: Geschwindigkeit-Zeit Diagramm
Beschleunigung-Zeit Diagramm
Abbildung 6: Beschleunigung-Zeit Diagramm