Mondfall: Verändert die Masse die Geschwindigkeit im freien Fall?

1 · Vorhersagen

Auf dem Mond werden ein 1 kg-Ball und ein 6 kg-Ball gemeinsam aus derselben Höhe in einem Vakuum ohne Luftwiderstand freigesetzt. Welches beschleunigt schneller, wenn es fällt?

2 · Aufbauen

  1. Öffnen Sie die Preset „Mondtropfen“. Beachten Sie die beiden Kugeln: eine leichte (1 kg) und eine schwere (6 kg), die gemeinsam unter der Schwerkraft des Mondes freigesetzt werden (g = 1.6 m/s²).
  2. Wählen Sie nacheinander jeden Ball aus und stellen Sie vor jedem Lauf seine Masse im Eigenschaftenfenster so ein, dass sie mit der Spalte „Masse“ der Datentabelle unten übereinstimmt.
  3. Lassen Sie beide Bälle los, pausieren Sie die Simulation bei der in der Spalte „Zeit“ angegebenen Zeit und lesen Sie die Abwärtsgeschwindigkeit (vy) des Balls an der Sonde ab.

3 · Daten sammeln

Masse (m) (kg)Verstrichene Zeit (t) (s)Geschwindigkeit (vy) (m/s)Impuls (p) (kg·m/s)
1.001.00
6.001.00
6.002.00

Tragen Sie vy (y-Achse) gegen die Masse (x-Achse) auf, indem Sie die Zeilen 1 und 2 verwenden. Zeichnen Sie dann den Vy gegen die Zeit auf, indem Sie die Zeilen 2 und 3 verwenden. Welche Form hat jeder Graph und was sagt er über den freien Fall auf dem Mond aus?

4 · Auswerten

  1. Berechnen Sie mit Ihren notierten vy- und Massenwerten den Impuls p = mv für jede Zeile. Zeigen Sie Ihren Rechenweg.
  2. Vergleichen Sie die Zeilen 1 und 2 (gleiche Zeit, unterschiedliche Masse) und die Zeilen 2 und 3 (gleiche Masse, unterschiedliche Zeit). Was sagt Ihnen jeder Vergleich darüber, wie die Geschwindigkeit von der Masse im Verhältnis zur Zeit abhängt?

5 · Vertiefen

  1. Erklären Sie mit F = ma und Gewichtskraft = mg, warum eine schwerere Kugel auf dem Mond nicht schneller fällt — obwohl die Schwerkraft mit größerer Kraft an ihr zieht.
  2. Wenn dasselbe Experiment auf der Erde durchgeführt würde, indem eine Feder und eine Bowlingkugel durch die Luft fallen gelassen würden, würde Ihre Datentabelle dann genauso aussehen? Warum oder warum nicht?

Die Physik hinter diesem Experiment

Impuls

Der Impuls p = mv kombiniert die Masse und Geschwindigkeit eines Objekts zu einer einzigen Größe – obwohl die leichten und schweren Kugeln zu einem bestimmten Zeitpunkt die gleiche Fallgeschwindigkeit haben, trägt die schwerere Kugel viel mehr Impuls.

Kinetische Energie

KE = ½mv² wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und direkt mit der Masse – zwei Bälle, die mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden treffen, tragen also immer noch sehr unterschiedliche Mengen an kinetischer Energie, wenn ihre Massen unterschiedlich sind.

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