Ruhe und Bewegung

Menschen, Planeten, Galaxien – alles ist ständig in Bewegung. Doch was genau ist eigentlich Bewegung und wann sind wir in Ruhe?

Arbeitsmittel

Bezugssysteme

Eigentlich ist alles immer in Bewegung. Selbst wenn wir ruhig auf einem Sessel sitzen, sind wir in Bewegung, denn die Erde dreht sich um die eigene Achse und gleichzeitig um die Sonne. Und auch die Sonne steht nicht still. Sie bewegt sich zusammen mit den Planeten unseres Sonnensystems um das Zentrum der Milchstraße. Und auch die Milchstraße und alle anderen Galaxien sind ständig in Bewegung.

Papagei, Segelschiff, Erde
Papagei, Segelschiff, Erde: Was bewegt sich relativ zu wem?

Wie kann man Ruhe und Bewegung feststellen?

Betrachten wir eine Zugfahrt. Du sitzt im Schnellzug und dieser fährt soeben mit großer Geschwindigkeit durch eine Haltestelle. Dort warten auf dem Bahnsteig einige Personen auf den nächsten Regionalzug. Du bist relativ zum Zug und den anderen Fahrgästen in Ruhe. Aber für die Personen auf dem Bahnsteig bist du in schneller Bewegung. Man kann sagen: Bezogen auf das Zugabteil bist du in Ruhe, aber vom Bahnsteig aus gesehen bist du schnell unterwegs.

Folgendes ist dir vielleicht auch schon passiert. Du sitzt in einem stehenden Zug und blickst aus dem Fenster. Zuerst glaubst du, dein Zug fährt los. Erst ein Blick aus dem Fenster gegenüber verrät dir: Nicht dein Zug, sondern der Zug auf dem Gleis daneben, ist losgefahren.

Wenn du in einem Zug sitzt, der an einem stehenden Zug vorbeifährt, kannst du mit gutem Grund denken: „Ich sitze im stehenden Zug und der andere Zug fährt an mir vorbei“. Denn genau das ist der optische Eindruck. Vielleicht hast du auch diese Situation beim Schifahren schon erlebt: Der Nebel ist so stark, dass du nichts siehst, nicht einmal den Boden. Deshalb bist du nicht sicher, ob du stehst oder schnell unterwegs bist.

Merke dir den Grundsatz:

Ruhe und Bewegung kann man immer nur im Vergleich mit anderen Körpern angeben.

Oder etwas physikalischer formuliert:

Ruhe und Bewegung kann man nur relativ zu einem Bezugssystem angeben.

Ein Körper ist in Ruhe, wenn er seine Lage zu anderen Körpern nicht verändert. Ein Körper ist in Bewegung, wenn er seine Lage zu anderen Körpern verändert.

Ein Körper kann in Ruhe und gleichzeitig in Bewegung sein. Denn es kommt immer auf den jeweiligen Bezug zu anderen Körpern an. In einem fahrenden Auto ist der Fahrer in Bezug zum Beifahrer in Ruhe, aber in Bezug zu den Verkehrsschildern zum Beispiel in Bewegung.

Geschwindigkeit

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Geschwindigkeit anzugeben. Beim Marathonlauf (Lauf über 42 km) wird angegeben, welche Zeit man benötigt, um 5 km zu laufen. In der Tabelle ist die Geschwindigkeit einer Marathonläuferin so angegeben: Minuten pro 5 Laufkilometer.

Lauftabelle einer Marathonläuferin
Lauftabelle einer Marathonläuferin

Eine solche Angabe ist jedoch nicht für jede Bewegung sinnvoll. Der Tachometer im Auto gibt die Geschwindigkeit anders an:

Leuchtanzeige eines Tachometers in einem Auto. Die Anzeige geht von 0 bis 200 km/h.
Ein Tachometer gibt die Geschwindigkeit in Kilometer pro Stunde (km/h) an.

Im Alltag ist bei uns die Angabe der Geschwindigkeit in Kilometer pro Stunde gebräuchlich.

Wenn du mit dem Auto eine Strecke von 280 Kilometer fährst und dafür 4 Stunden brauchst, wie viele Kilometer bist du dann in einer Stunde gefahren?

Die Geschwindigkeit erhält man, wenn man die gefahrene Strecke durch die dafür benötigte Zeit dividiert.

In unserem Beispiel beträgt die Geschwindigkeit $$v = \frac{280 \, km}{4 \, h}$$, also v = 70 km/h. Übrigens sollte man immer korrekt „Kilometer pro Stunde” sagen. Die Bezeichnung „ka-em-ha” ist nicht korrekt, denn das würde bedeuten, dass man die zurückgelegten Kilometer mit der Zeit multipliziert und nicht dividiert. Das Ergebnis, dass ein Auto, das für eine Strecke von 280 km 4 Stunden braucht, mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h unterwegs war, beschreibt die Fahrt des Autos nicht genau. Wahrscheinlich ist das Auto nicht 4 Stunden lang immer mit 70 km/h gefahren. Einmal war es schneller, dann wieder langsamer, je nach den Verkehrsbedingungen. Das Ergebnis (70 km/h) ist nur die sogenannte mittlere Geschwindigkeit.

In der Physik wird die Geschwindigkeit v in Meter pro Sekunde [m/s] angegeben.

Man kann sehr leicht die Geschwindigkeitsangabe von km/h in m/s umrechnen:

  • 1 km/h = $$\frac{1000 \, m }{ 3600 \, s}$$ $$\rightarrow$$ 1 km/h = $$\frac{ 1 }{ 3,6 } $$ m/s = 0,27 m/s
  • 1 m/s = 3600 m/h $$\rightarrow$$ 1 m/s = $$1 \cdot 3{,}6 $$ km/h
Umrechnung von m/s und km/h

Einige Geschwindigkeiten in der Natur (Angaben sind gerundet)

m/s km/h
Schall in der Luft 340 1224
Schall im Meerwasser 1500 5400
Schall im Eisen 5 170 18 612
Wanderfalke im Sturzflug 89 320
Afrikanischer Elefant 11 40
Windhund 19 70
Schwertwal 18 65
Gepard 25-33 90-120
Starker Wind (Sturm) 21-28 75-100
Flugzeug 278 1000
Internationale Raumstation (ISS) 7778 28 000
Erde (Planet) 30 000 108 000
Lichtgeschwindigkeit 300 000‍ 000 1 080 000‍ 000

Grafische Darstellung der Geschwindigkeit

Oft ist es sinnvoll und manchmal sehr praktisch, die Geschwindigkeit grafisch (d. h. anhand einer Zeichnung) darzustellen. Fahrzeuge über 3,5 Tonnen müssen eine sogenannte Tachografenscheibe haben.

Tachoscheibe

Alte, mechanische Tachoscheibe

Kannst du feststellen, welche Geschwindigkeit das Kraftfahrzeug um 20:00 Uhr ungefähr gefahren ist?

Damit man auf einen Blick Geschwindigkeiten vergleichen kann, verwendet man in der Physik die grafische Darstellung in Form eines Zeit-Weg-Diagramms.

Zeit-Weg-Diagramm eines Körpers, der mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h unterwegs ist

Zeit-Weg-Diagramm

Ein Regionalzug ist mit 100 km/h, ein Schnellzug mit 200 km/h unterwegs. Die Gerade für den Regionalzug ist im Zeit-Weg-Diagramm bereits eingezeichnet. Wie müsste die Gerade für den Schnellzug aussehen?

Zeit-Weg-Diagramm eines Körpers

Wie verhält sich die Geschwindigkeit des Körpers in obigem Diagramm?

Die Geschwindigkeit des Apfels wird schneller, das heißt er wird beschleunigt.

12. Ruhe und Bewegung
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