Hochgeschwindigkeitskameras im Physikunterricht

3.3 Der Looping
Auf der gesamten Strecke werden in diesem Experiment 0,097 J nicht umkehrbar umgewandelt.
Im Looping selbst werden
Eirr Looping = Eirr(t2) − Eirr(t1) =0,097 J − 0,053 J =0,044 J
umgewandelt. Im (steiferen) Looping ist der Energieverlust geringer als auf der (flexiblen)
Beschleunigungsstrecke. Bezogen auf die Startenergie beträgt der „Energieverlust“ 41%.
3.3.2.2. Betrachtung der kinetischen Größen
Auf den beiden Bildern in Abb. 3.4 ist gut erkennbar, dass die Geschwindigkeit (grüne
Vektorpfeile) tangential zur Bahnkrümmung verläuft. Dies deckt sich, zumindest qualitativ,
mit der physikalischen Theorie. Betrachtet man das Tempo des Fahrzeugs in Tabelle
2, stellt man fest, dass der Wagen zum Zeitpunkt t1 (Einfahrt in den Looping) ein Tempo
von |�v(t1)| =3,883 m
s und zum Zeitpunkt t2 (Ausfahrt aus dem Looping) „nur“ noch von
|�v(t2)| =3,297 m hat. Die von der Gleichung (3.13) geforderte Mindestgeschwindigkeit
s
für den Looping mit Radius R =0,255 m im reibungsfreien Fall beträgt im tiefsten Punkt
|v| =3,54 m,
also etwa 12,7 km/h. Das Tempo ist beim Einfahren ∼ 10% größer, beim
s
Ausfahren ∼ 7% geringer als die durch die Theorie geforderte Mindestgeschwindigkeit.
Die Bahn übt also eine bremsende Kraft auf den Wagen aus.
Abbildung 3.4.: In die Bilder sind die Beschleunigung �a und die Geschwindigkeit �v eingegestempelt,
wobei links der Wert jedes 12. Frames und rechts der Wert
jedes 6. Frames berücksichtigt wird.
Der Blick auf die Beschleunigungen ist noch aufschlussreicher. Bereits auf der gekrümmten
Bahn vor dem Looping wirkt eine Beschleunigung von der Bahn auf das Fahrzeug 2 . Die
auf das Fahrzeug wirkende Beschleunigung wird durch den violetten Pfeil visualisiert. Die
Neigung eines Beschleunigungspfeiles in Fahrtrichtung zeigt, dass auf den Wagen, neben
der Normalbeschleunigung durch die Zentripedalkraft der Bahn, auch eine Beschleunigung
in Fahrtrichtung wirkt; ist der Pfeil gegen die Fahrtrichtung geneigt, wirkt demnach eine
abbremsende Kraft. Auf beiden Bildern der Abbildung 3.4 ist deutlich erkennbar, dass
der Wagen zwischen Einfahren in den Looping und dem Durchfahren des Scheitelpunktes
abgebremst wird. Nach Passieren des höchsten Punktes des Loopings wird der Wagen
2 An dieser Stelle sei angemerkt, dass auf jeden Wechselwirkungspartner gleich große Kräfte wirken.
Kräfte auf feststehenden Unterlagen, wie beispielsweise die Kraft vom Wagen auf die Bahn, können
jedoch mit Videoanalyseprogrammen nicht gemessen werden. Aber die Gesamtkraft auf das Gefährt
ist proportional zur Beschleunigung.
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