Materialien zum Unterricht

Zwei tragen einen Kasten – Kräfte zerlegen

Opa Horst wird 70. Max und Moritz sollen den Kasten Ur-Krostitzer vom Getränkemarkt holen. (Das Bier ist für Opa. Für die beiden steht Apfelschorle im Kühlschrank.) Der Kasten ist schwer, also tragen sie ihn zu zweit, jeder an einem Griff. Nur leider kann Moritz Max heute nicht so gut riechen: Max hatte Knoblauchbrot. Also gehen die beiden immer weiter auseinander. Ob das eine gute Idee ist?

Die Sprüche sind albern, die Zahlen nicht: Alle Kräfte werden exakt gerechnet. Ein voller Kasten mit 20 Flaschen zu 0,5 l hat etwa 19,2 kg (Kasten 1,5 kg, jede Flasche 0,38 kg Glas und 0,5 kg Bier), das Leergut 9,1 kg. Gerechnet wird mit g = 9,81 N/kg. Zeichnerisch geht es mit dem Kräfteparallelogramm, rechnerisch mit dem Kosinus.

Station 1: Unterwegs zu Opa

Stell den Winkel α zwischen den Armen ein und schick die beiden los. Die Pfeile zeigen, mit welcher Kraft jeder ziehen muss.

Gewichtskraft G–
Kraft je Junge F–
F im Vergleich zu G–
fühlt sich an wie–
Winkel zwischen den Armen
60°
Der Kasten
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Warum gehen Leute, die etwas zu zweit tragen, eigentlich dicht nebeneinander? Probier aus, was bei 120° passiert!

Station 2: Warum wird es schwerer?

Der Kasten wird nicht schwerer, nur weil die Arme schräg sind. Aber nur der senkrechte Anteil jeder Armkraft hält den Kasten. Der waagerechte Anteil zieht den Kasten bloß auseinander, und die beiden waagerechten Anteile heben sich gegenseitig auf. Im Kräfteparallelogramm siehst du: Beide Kräfte zusammen müssen genau die Gewichtskraft G ausgleichen.

Den Winkel stellst du oben in Station 1 ein, oder du tippst hier ins Diagramm.

Wertetabelle für den vollen Kasten

Winkel αα/2cos(α/2)F je JungeF : G

Rechenbeispiel

Station 3: Rechne selbst

Erst rechnen, dann prüfen. Mit „Im Bild zeigen“ tragen Max und Moritz genau deinen Kasten.

N

Tipps

  • Erst G = m · g ausrechnen.
  • Den Winkel halbieren: Jeder Arm ist um α/2 gegen die Senkrechte geneigt.
  • F = G : (2 · cos(α/2))
  • Profis stellen um: cos(α/2) = G : (2 · F), dann mit cos⁻¹ (Taschenrechner: SHIFT cos) den halben Winkel ausrechnen und verdoppeln.
  • Rechne Zwischenergebnisse mit mindestens 3 Nachkommastellen beim Kosinus.
Merke – Kräfte zerlegen:
  • Tragen zwei Personen eine Last mit schrägen Armen, wirkt jede Armkraft entlang des Arms. Man kann sie in einen senkrechten und einen waagerechten Anteil zerlegen.
  • Nur die senkrechten Anteile tragen die Last. Zusammen sind sie so groß wie die Gewichtskraft: 2 · F · cos(α/2) = G. Die waagerechten Anteile sind gleich groß und entgegengesetzt, sie heben sich auf.
  • Daraus folgt: F = G : (2 · cos(α/2)). Zeichnerisch: Im Kräfteparallelogramm ergeben F₁ und F₂ zusammen eine Kraft, die genauso groß ist wie G und nach oben zeigt.
  • Je größer der Winkel α, desto größer die Kraft. Bei α = 0° trägt jeder G/2, bei 90° etwa 0,71 · G, bei 120° jeder die ganze Gewichtskraft. Gegen 180° wird die Kraft beliebig groß: Mit waagerechten Armen kann man nichts tragen.
  • Das gilt überall: bei Hängematten, Wäscheleinen, Straßenlampen an Seilen und Seilbrücken. Ein straff gespanntes Seil muss riesige Kräfte aushalten.

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