Bewegungen beschreiben: Bezugskörper, Ort und Zeit

Einstieg

Du sitzt im Zug, der Zug fährt. Bewegst du dich? Für deine Sitznachbarin sitzt du still. Für jemanden am Bahnsteig rast du mit 120 km/h vorbei. Beide haben recht. Wer eine Bewegung beschreiben will, muss deshalb zuerst sagen, von wo aus er sie betrachtet.

Erklärung

Bezugskörper

Ob sich ein Körper bewegt, entscheidet man immer im Vergleich zu einem anderen Körper, dem Bezugskörper. Ein Körper bewegt sich, wenn sich sein Ort gegenüber dem Bezugskörper mit der Zeit ändert. Ändert sich der Ort nicht, ist er in Ruhe.

• Bezugskörper Zug: Du bist in Ruhe.
• Bezugskörper Bahnsteig: Du bewegst dich mit dem Zug.

Im Alltag nimmt man meist stillschweigend die Erdoberfläche als Bezugskörper. In der Physik sagt man es dazu.

Ort, Weg und Zeit

Um eine Bewegung auf einer geraden Strecke zu beschreiben, legt man einen Nullpunkt fest und misst von dort aus:

• den Ort $s$ des Körpers, zum Beispiel „120 m hinter dem Start“ (Einheit 1 m),
• die Zeit $t$, die seit dem Start einer Stoppuhr vergangen ist (Einheit 1 s),
• den zurückgelegten Weg $\Delta s$ zwischen zwei Zeitpunkten.

Das Zeichen $\Delta$ (Delta) bedeutet „Änderung“ oder „Unterschied“. $\Delta s = s_2 - s_1$ ist der Unterschied zwischen zwei Orten, $\Delta t = t_2 - t_1$ der Unterschied zwischen zwei Zeitpunkten.

Wichtige Umrechnungen: $1\,\text{km} = 1000\,\text{m}$, $1\,\text{h} = 60\,\text{min} = 3600\,\text{s}$.

Messtabelle

Die Bewegung eines Körpers hält man in einer Messtabelle fest: zu jedem Zeitpunkt der Ort.

$t$ in s	0	2	4	6	8
$s$ in m	0	10	20	30	40

In diesem Beispiel kommen in jeder Sekunde 5 m dazu. Die Bewegung ist gleichmäßig.

Arten von Bewegungen

Nach der Bahn:

• geradlinig: Ein Aufzug fährt nach oben.
• kreisförmig: Ein Karussell dreht sich.
• krummlinig: Ein geworfener Ball fliegt im Bogen.

Nach dem Tempo:

• gleichförmig: In gleichen Zeiten werden gleiche Wege zurückgelegt. Beispiel: eine Rolltreppe, ein Auto mit Tempomat auf ebener Strecke.
• beschleunigt: In gleichen Zeiten werden immer größere Wege zurückgelegt. Beispiel: ein anfahrendes Auto.
• verzögert (abgebremst): Die Wege werden immer kleiner. Beispiel: ein bremsendes Fahrrad.

In dieser Reihe geht es vor allem um geradlinige, gleichförmige Bewegungen.

Eine Bewegung messen

Versuch: Ihr messt auf dem Schulhof, wie gleichmäßig jemand geht.

1. Markiert mit Kreide alle 5 m eine Linie, bis 30 m.
2. An jeder Linie steht eine Person mit Stoppuhr. Alle starten gleichzeitig auf ein Zeichen.
3. Die Läuferin geht gleichmäßig, jede Person stoppt, wenn sie ihre Linie überschreitet.
4. Tragt die Werte in eine Messtabelle ein.

Sicherheit: Messt nur auf dem Schulhof oder Sportplatz, nie auf einer Straße oder einem Radweg. Für Messungen mit Fahrrädern Helm tragen, genug Abstand halten, keine Wettrennen.

Beispiele

Beispiel 1: Bezugskörper wählen

Ein Fahrgast geht im fahrenden Bus nach vorn. Bezugskörper Bus: Er bewegt sich langsam nach vorn. Bezugskörper Straße: Er bewegt sich mit dem Bus und zusätzlich mit seinem Gehtempo nach vorn. Bezugskörper Fahrer: Er nähert sich dem Fahrer.

Beispiel 2: Gleichförmig oder nicht?

$t$ in s	0	1	2	3	4
$s$ in m	0	1	4	9	16

Die Wegstücke pro Sekunde sind 1 m, 3 m, 5 m, 7 m. Sie werden größer. Die Bewegung ist beschleunigt, nicht gleichförmig.

Beispiel 3: Zeiten umrechnen

$2{,}5\,\text{h} = 2{,}5 \cdot 3600\,\text{s} = 9000\,\text{s}$. $15\,\text{min} = 0{,}25\,\text{h} = 900\,\text{s}$.

Merksatz

Ob sich ein Körper bewegt, hängt vom Bezugskörper ab. Eine Bewegung beschreibt man mit Ort $s$ und Zeit $t$ in einer Messtabelle. Bei einer gleichförmigen Bewegung legt der Körper in gleichen Zeiten gleiche Wege zurück.

Übungen

Grundlagen

1. Ein Kind sitzt in einem fahrenden Auto. Nenne einen Bezugskörper, für den es ruht, und einen, für den es sich bewegt.
2. Rechne um: a) 3,2 km in m, b) 1,5 h in s, c) 450 s in min.
3. Ordne zu (gleichförmig, beschleunigt, verzögert): ein startendes Flugzeug, eine Rolltreppe, ein Ball, der auf dem Rasen ausrollt.

Weiter

4. Prüfe mit der Tabelle, ob die Bewegung gleichförmig ist: $t$ in s: 0, 5, 10, 15; $s$ in m: 0, 30, 60, 90.
5. Plane eine Messung, mit der ihr prüft, ob ein Spielzeugauto gleichförmig fährt. Nenne Material, Ablauf und die Messtabelle.
6. Erkläre, warum man für eine Ortsangabe einen Nullpunkt braucht.

Knobeln

7. Ein Satellit steht von der Erde aus gesehen immer über demselben Punkt. Ruht er? Begründe mit zwei verschiedenen Bezugskörpern.
8. Ein Mensch geht auf einem Laufband mit 5 km/h, das Band läuft mit 5 km/h in die Gegenrichtung. Beschreibe die Bewegung gegenüber dem Band und gegenüber dem Fitnessstudio.

Lösungen

1. Ruhe gegenüber dem Auto oder dem Sitz. Bewegung gegenüber der Straße oder einem Baum am Straßenrand.
2. a) 3200 m, b) 5400 s, c) 7,5 min.
3. Startendes Flugzeug: beschleunigt. Rolltreppe: gleichförmig. Ausrollender Ball: verzögert.
4. In jeweils 5 s kommen 30 m dazu. Gleiche Zeiten, gleiche Wege: gleichförmig.
5. Material: Spielzeugauto, Maßband, Kreide oder Klebeband, Stoppuhren oder eine Handykamera. Ablauf: Strecke alle 20 cm markieren, Auto starten, Zeit an jeder Marke messen (oder Video Bild für Bild auswerten). Tabelle: Ort $s$ in m und Zeit $t$ in s. Gleichförmig ist die Fahrt, wenn für gleiche Wegstücke gleiche Zeiten gebraucht werden.
6. Ein Ort ist immer ein Abstand von einem festgelegten Punkt. Ohne Nullpunkt kann man „120 m“ nicht einordnen: 120 m wovon aus?
7. Gegenüber der Erdoberfläche ruht er. Gegenüber dem Erdmittelpunkt bewegt er sich auf einer Kreisbahn: Er umkreist ihn in etwa 24 Stunden einmal, genauso schnell, wie sich die Erde um ihre Achse dreht.
8. Gegenüber dem Band bewegt er sich mit 5 km/h vorwärts. Gegenüber dem Fitnessstudio bleibt er am selben Ort, er ruht.