PH3 – Weg-Zeit-Diagramm | Gleichmäßig beschleunigte Bewegung [Erklärung, Beispiel, Video]

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Inhaltsverzeichnis:

Wir wollen uns in dieser Lerneinheit das Weg-Zeit-Diagramm bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung (=konstante Beschleunigung) ansehen und auf den Unterschied zwischen einer positiven und negativen Beschleunigung eingehen.

Die Weg-Zeit-Funktion ist bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung eine parabelförmige Funktion.

In dieser Lerneinheit betrachten wir das Weg-Zeit-Diagramm.

Für ein optimales Verständnis helfen dir zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Kinematik findest du im Kurs: PH3-Kinematik

 

Konstante Beschleunigung – Beispiel im Alltag

Im Alltag gibt es viele Beispiele für konstante Beschleunigung. Hier sind einige davon:

  1. Fahrzeugbeschleunigung: Wenn du in einem Auto oder auf einem Fahrrad beschleunigst und deine Geschwindigkeit kontinuierlich zunimmt, erlebst du eine konstante Beschleunigung.

  2. Aufzüge: Wenn ein Aufzug nach oben oder unten beschleunigt, bevor er seine konstante Geschwindigkeit erreicht, wird eine konstante Beschleunigung erfahren.

  3. Freier Fall: Wenn ein Objekt in einem Vakuum oder bei vernachlässigbarer Luftreibung fällt, erfährt es eine konstante Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft.

  4. Achterbahnen: Achterbahnen bieten oft Sektionen mit konstanter Beschleunigung, in denen die Wagen gleichmäßig beschleunigt werden, um Geschwindigkeit aufzubauen.

  5. Raketenstarts: Bei Raketenstarts wird eine kontinuierliche Beschleunigung angewendet, um das Raumschiff auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bringen.

  6. Schaukeln: Wenn du auf einer Schaukel sitzt und nach vorne und hinten schwingst, erfährst du eine konstante Beschleunigung, während du die höchsten und niedrigsten Punkte der Schaukelbahn passierst.

  7. Rollender Ball: Wenn ein Ball eine schräge Fläche hinunterrollt, kann er eine konstante Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft erfahren, wenn der Luftwiderstand vernachlässigbar ist.

  8. Skateboarden: Beim Skateboarden oder Rollschuhfahren kann eine konstante Beschleunigung auftreten, wenn du kontinuierlich beschleunigst, um an Geschwindigkeit zu gewinnen.

Diese sind nur einige Beispiele, wie eine konstante Beschleunigung im Alltag auftreten kann. Es gibt jedoch viele weitere Situationen, in denen eine ähnliche physikalische Beschleunigung beobachtet werden kann. 

 

Weg-Zeit-Diagramm / Weg-Zeit-Funktion

Das Weg-Zeit-Diagramm , die Weg-Zeit-Funktion oder auch das s-t-Diagramm zeigt den zurückgelegten Weg eines Körpers in Abhängigkeit von der Zeit an. Bei einer gleichförmigen Bewegung (konstante Geschwindigkeit), ist die Weg-Zeit-Funktion linear, bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung (konstante Beschleunigung), ist die Weg-Zeit-Funktion parabelförmig. 

Nachdem du bereits das Beschleunigungs-Zeit-Diagramm und das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung kennengelernt hast, wollen wir uns in dieser Lerneinheit das Weg-Zeit-Diagramm (s-t-Diagramm) anschauen.

Bei der gleichmäßig beschleunigten Bewegung (=konstante Beschleunigung) ergibt sich im Weg-Zeit-Diagramm eine Parabel. Die Zeit t in Sekunden [s] wird auf der x-Achse abgetragen, der Weg s in Metern [m] auf der y-Achse.

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Weg-Zeit-Diagramm: Parabelförmige Funktion

 

Eine Parabel ist der Graph einer quadratischen Funktion. Ist die Parabel nach oben geöffnet, so ist der Scheitelpunkt der tiefste Punkt der Funktion. Ist die Parabel nach unten geöffnet, so ist der Scheitelpunkt der höchste Punkt der Funktion. In der obigen linken Grafik siehst du eine nach unten geöffnete Parabel, in der rechten Grafik eine nach oben geöffnete Parabel.

Innerhalb eines Weg-Zeit-Diagramms wird nur der zurückgelegte Weg betrachtet, d.h. die Funktion bewegt sich immer weiter in positive y-Richtung fort. Demnach werden die Teile der Parabel die eine negative Steigung aufweisen (also abnehmen) innerhalb des Weg-Zeit-Diagramms nicht berücksichtigt:

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Parabeln: nach unten geöffnet, nach oben geöffnet

 

Du siehst in der obigen Grafik die Teile der Parabel, die eine positive Steigung aufweisen.

In der linken Grafik ist der Teil einer nach unten geöffneten Parabel gegeben. Hier nimmt der Weg pro Zeit immer weiter ab, ein Körper legt also pro Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) immer weniger Weg (z.B. Meter) zurück. Dieser Fall tritt auf, wenn eine Verzögerung (negative Beschleunigung) vorliegt. Hier kann als Beispiel ein Bremsvorgang genannt werden, um die Geschwindigkeit zu verringern.

In der rechten Grafik ist der Teil einer nach oben geöffneten Parabel gegeben. Hier nimmt der Weg pro Zeit immer weiter zu, ein Körper legt also pro Zeiteinheit immer mehr Weg zurück. Dieser Fall ist gegeben, wenn eine positive Beschleunigung vorliegt. Ein Beispiel wäre die Beschleunigung eines Fahrzeugs zur Erhöhung der Geschwindigkeit.

 

Beispiel: Weg-Zeit-Diagramm bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung

In dem folgenden Weg-Zeit-Diagramm ist die Weg-Zeit-Funktion für eine konstante Beschleunigung von 2 m/s² ohne Anfangsgeschwindigkeit eingezeichnet:

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Beispiel: Weg-Zeit-Diagramm bei positiver Beschleunigung

 

Die Weg-Zeit-Funktion ist eine nach oben geöffnete Parabel, da die Beschleunigung positiv ist. Wählen wir zum Beispiel als Zeitabstand immer 1 Sekunde, so nimmt die Wegdifferenz mit jeder Sekunde zu. Von Sekunde 0 bis 1 legt das Fahrzeug einen Weg von 1 Meter zurück, von 1s bis 2s einen Weg von 3 Metern zurück und von 2s bis 3s einen Weg von 5 m. Jede weitere Sekunde nimmt die Wegdifferenz zu.

Du kannst den Weg mittels der folgenden Gleichung berechnen:

s = v_0 \cdot t + \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2

 

Betrachten wir nun das Weg-Zeit-Diagramm, wenn eine negative Beschleunigung gegeben ist:

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Beispiel: Weg-Zeit-Diagramm bei negativer Beschleunigung

 

Die obige Grafik zeigt eine nach unten geöffnete parabelförmige Weg-Zeit-Funktion, die gegeben ist, wenn die konstante Beschleunigung negativ ist (=Verzögerung).

Wählen wir zum Beispiel als Zeitabstand immer 1 Sekunde, so nimmt die Wegdifferenz bei der linken Grafik mit jeder Sekunde ab. Von Sekunde 0 bis 1 legt das Fahrzeug einen Weg von 9 Meter zurück. Von Sekunde 1 bis 2 legt das Fahrzeug nur noch einen Weg von 7m Metern zurück und von Sekunde 2 bis 3 einen Weg von 5m. Jede weitere Sekunde nimmt die Wegdifferenz ab.

Merk’s dir!

Bei parabelförmigen Weg-Zeit-Funktionen ist die Wegdifferenz in gleichen Zeitabständen nicht mehr konstant. Somit nimmt bei einer positiven Beschleunigung die Wegdifferenz mit der Zeit zu, bei negativer Beschleunigung nimmt die Wegdifferenz mit der Zeit ab.

Ist eine negative Beschleunigung gegeben, dann muss das Fahrzeug natürlich eine Anfangsgeschwindigkeit aufweisen. Denn ohne Anfangsgeschwindigkeit keine Verzögerung (ohne Geschwindigkeit kein Bremsvorgang). Ist eine positive Beschleunigung gegeben, so muss das Fahrzeug keine Anfangsgeschwindigkeit aufweisen, da auch aus dem Stand beschleunigt werden kann.

 

Video: Weg-Zeit-Funktion bei negativer Beschleunigung

Im folgenden Video betrachten wir nochmal die unterschiedlichen Weg-Zeit-Funktionen bei einer positiven und einer negativer Beschleunigung.

 

Beispiel: Berechnung des Weges

Im nachfolgenden Beispiel wollen wir den Weg berechnen, welchen ein Fahrzeug zurücklegt. Du benötigst hierzu die Gleichungen der gleichförmigen und der gleichmäßig beschleunigten Bewegung.

Gleichförmige Bewegung

s = v \cdot t

v = \dfrac{s}{t}

t = \dfrac{s}{v}

 

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung

s = v_0 \cdot t + \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2

v = a \cdot t + v_0

t = \dfrac{v - v_0}{a}

 

Beispiel!

Gegeben ist ein Fahrzeug welches sich

-5 Sekunden mit konstanter Geschwindigkeit von 30 km/h bewegt.

-Danach  wird das Fahrzeug 2 Sekunden lang mit 1,5 m/s² konstant beschleunigt.

-Das Fahrzeug wird dann innerhalb von 1s mit einer konstanten Beschleunigung von 1 m/s² abgebremst.

Wie groß ist der insgesamt zurückgelegte Weg?

 

Das Fahrzeug bewegt sich zunächst mit konstanter Geschwindigkeit von 30 km/h. Nach 5 Sekunden hast dieses den folgenden Weg s zurückgelegt:

s = v \cdot t = 8,33 m/s \cdot 5s = 41,65 m

 

Danach wird das Fahrzeug mit a = 1,5 m/s  für 2 Sekunden beschleunigt und legt den folgenden Weg s zurück:

s = v_0 \cdot t + \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2  =  8,33 m/s \cdot 2s + \dfrac{1}{2} \cdot 1,5 \dfrac{m}{s^2} \cdot (2s)^2 = 19,66 m

 

Das Fahrzeug erreicht am Ende dieser Beschleunigung eine Geschwindigkeit v von:

v = a \cdot t + v_0 = 1,5 \dfrac{m}{s^2} \cdot 2s + 8,33 \dfrac{m}{s} = 11,33 m/s.

 

Als nächstes wird das Fahrzeug 1 Sekunde mit a = -1 m/s^2 abgebremst. Die Beschleunigung ist hier negativ, da es sich um eine Verzögerung handelt. Der Weg, welchen es dabei zurücklegt beträgt:

s = v_0 \cdot t + \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2 = 11,33 \dfrac{m}{s} \cdot 1s + \dfrac{1}{2} \cdot (-1 \dfrac{m}{s^2}) \cdot (1s)^2 = 10,83m

 

Der gesamte zurückgelegte Weg beträgt:

s = 41,65 m + 19,66m + 10,83m = 72,14m

 

Was kommt als Nächstes?

Im nächsten Kursabschnitt befassen wir uns mit dem Freien Fall.

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