Geschwindigkeit am Hang

Aufrufe: 2679     Aktiv: 28.02.2021 um 13:05

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Hey, kann mir jemand bei folgender Aufgabe helfen? 

"Ein Kinderwagen (32kg) rollt aus dem Stand heraus eine 10m lange schräge Ebene hinab. Das Gefälle der Ebene beträgt 8%. Welche Geschwindigkeit erreicht der Kinderwagen am Fuß der schrägen Ebene, wenn Reibung und Luftwiderstand vernachlässigt werden?"

Die richtige Antwort lautet 14,4 km/h. Ich habe bereits in einem anderen Forum gefragt und da wurde mir folgender Lösungsweg vorgestellt, welcher sich auch als richtig erwiesen hat:
Wurzel aus 2*g*h = Wurzel aus 2*0,8*10
= 4 m/s = 14 km/h

Leider wurde mir aber nicht beantwortet, wie man auf diese Formel kommt. Ist das einfach eine allgemeingültige Formel für die Geschwindigkeit am Hang oder ist sie irgendwie abgeleitet? :)
Liebe Grüße 

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Also die Formel die du hast ergibt sich mit dem Energieerhaltungssatz. Am Anfang hast du nur potentielle Energie. Die Formel dafür ist

\(E_{pot}=m\cdot g\cdot h\)

Am Ende hast du nur kinetische Energie mit

\(E_{kin}=\dfrac{1}{2}mv^2\)

Die Anfangs-Energie wird komplett in kinetische Energie am Ende umgewandelt. Wir können also gleichsetzen:

\(m\cdot g\cdot h=\dfrac{1}{2}mv^2\)

Wir können \(m\) kürzen:

\(g\cdot h=\dfrac{1}{2}v^2\)

Jetzt noch nach \(v\) auflösen:

\(2\cdot g\cdot h=v^2\)

\(\sqrt{2\cdot g\cdot h}=v\)

Du musst zuerst die Höhe ausrechnen. Das geht mit Dreiecksberechnungen. Zeichne dir dazu mal deine Schräge hin:


Wie du siehst bekommst du die Höhe mit dem Sinus

\(\sin(\alpha)=\dfrac{h}{10\mathrm{m}}~~~~~\Rightarrow~~~~~h=10\mathrm{m}\cdot \sin(\alpha)\)

Den Winkel bekommst du über die Steigung von \(\dfrac{8}{100}\). Aus der Steigung bekommst du den Winkel über

\(\alpha=\tan^{-1}(\dfrac{8}{100})\approx 4.57°\)

Du bekommst also für die Höhe: \(h=10\mathrm{m}\cdot \sin(4.57°)\approx 0.8\mathrm{m}\)
Jetzt alles einsetzen:

\(v=\sqrt{2\cdot 9.81\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}\cdot 10\mathrm{m}\cdot \sin(4.57°)}\approx3.95\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}=14.23\dfrac{\mathrm{km}}{\mathrm{h}}\)
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Die 0,8 ergeben sich aus der Steigung, 8% Steigung auf 10 Meter entsprechen 0,8 Meter.
Dann wurden aus den 9,81 m/s² näherungsweise 10 m/s² gemacht.

Sonst kannst Du den Energieerhaltungssatz von oben nehmen!
Das bedeutet Energie wird nie verbraucht sondern nur umgesetzt.

Also kommst Du auf Wurzel aus 2*0,8*10 = 4 m/s = 14 km/h
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