Physik im Straßenverkehr (2)

So, nachdem Begriffe wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Trägheit und Kraft wieder in Erinnerung gerufen bzw. neu erklärt wurden, haben wir fast alles zusammen, um uns etwas vertiefter mit der Physik im Straßenverkehr auseinander zu setzen.
Dafür müssen wir noch einen Doppelbegriff klären:

Energie / Arbeit:
Oft hört man von Energien. Manchmal sogar von positiven und negativen Energien. Meine Krankengymnastin erklärte mir neulich, sie würde jetzt meine Energiebahnen behandeln. Deren Existenz soll sogar mit speziellen Verfahren nachweisbar sein. Oft werden unkonventionelle Ideen als lächerlich abgetan, ohne sich damit wirklich befasst zu haben. Diese Tatsache ist in der Geschichte der Physik stets präsent gewesen, wenngleich so etwas höchst unwissenschaftlich ist. Darum möchte ich mich an dieser Stelle auch gar nicht wertend zu diesen Vorstellung äußern. Aber wir sehen, dass der Begriff der Energie recht umgangssprachlich gebraucht wird. Physikalisch hat der Begriff der Energie eine sehr konkrete Bedeutung: Energie ist, einfach gesagt, das Produkt aus Kraft und Weg,

E=F*s

Für einfache Wege (und Kräfte) kann man diese Formel direkt anwenden. Für etwas kompliziertere Fälle muss man "integrieren".
Die Bedeutung ist offensichtlich: Wenn Sie vom Einkaufen kommen und ihre Einkaufstasche bzw. die Bierkiste die Treppe hoch tragen, (ver-)brauchen sie umso mehr Energie dabei, je höher ihre Wohnung liegt. (Ich habe hier absichtlich nichts über den Weg vom Auto bis zur Tür gesagt. Warum wird in einem späteren Post geklärt).
Je mehr Energie mir zur Verfügung steht, umso mehr Kraft kann ich über eine bestimmte Strecke aufwenden, oder (alternativ) umso größere Strecken kann ich zurücklegen und dabei eine bestimmte Kraft aufwenden. Und das klingt schon sehr nach Arbeit. Energie und Arbeit sind im Prinzip ein und dasselbe, Energie "hat man", Arbeit "leistet/verrichtet man".

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Im Straßenverkehr tritt insbesondere eine Energie auf, die so genannte kinetische Energie. Damit ist die Energie gemeint, die aus der Bewegung heraus resultiert. Die Formel dafür ist

E=1/2 m v²

Die kinetische Energie ist also proportional zur Masse "m". Außerdem wächst sie quadratisch (v² spricht man "vau quadrat") mit der Geschwindigleit "v". Das "1/2" erhält man aus der Mathematik und es ist hier nicht so wichtig.

Ok, und nun zum Straßenverkehr:
Sie fahren in der Stadt Auto. Ihr Auto hat eine Masse von, sagen wir 750 kg, Sie eingeschlossen. Ihre Geschwindigkeit beträgt, naja, sein wir realistisch, 60 km/h.
Damit haben Sie eine kinetische Energie von 104167 Joule.
Sie haben ein anderes Ergebnis. Freut mich, wenn Sie mitrechnen. Um die Maßeinheit "Joule" zu bekommen, muss man von "km/h" in "m/s" umrechnen, es kommt also ein Faktor von "1/3,6" hinzu. Dann sollten Sie eigentlich auch mein Ergebnis haben.

Jetzt fahren Sie auf der Autobahn, gemütlich mit 120km/h . Das Auto ist das gleiche. Nun haben Sie eine kinetische Energie von 416667 Joule.
Sehen Sie, dass sich die Energie vervierfacht hat, obwohl sich die Geschwigkeit nur verdoppelt hat? Das kommt wegen diesem ² an dem "v".

Nun überholt Sie dort jemand mit 180 km/h. Witzigerweise scheint es ein Doppelgänger von Ihnen zu sein, der zudem das Gleiche Auto wie Sie fährt. Diese Doppelgänger hat eine kinetische Energie von 937500 Joule. Das doppelte von Ihnen. Er fährt 3 mal so schnell wie Sie in der Stadt, hat aber eine 9 MAL (!!!) so hohe Energie, wie Sie hatten.


Ok, das ist alles ganz beeindruckend, aber was hilft mir das?

Nun ja, die Energie, die Sie haben, wenn Sie mit einer gewissen Geschwindigkeit fahren, müssen Sie ja irgendwie wieder loswerden, wenn Sie langsamer werden wollen? Sie können nicht einfach so stehen bleiben weil ihr Auto ja eine Masse hat und wir gelernt haben, dass Masse träge ist und sich weiter bewegt, bis eine Kraft auf sie einwirkt. Sie Müssen bremsen.
Wenn Sie bremsen nehmen die Bremsscheiben also die ganze kinetische Energie auf, die überschüssig ist. Dabei werden diese natürlich ziemlich heiß.
Sie können auch anders "abbremsen", nämlich indem Sie gegen irgend etwas fahren. Physikalisch gesehen übertragen sie dabei die kinetische Energie auf das Objekt mit dem Sie kollidieren. Jetzt kommt ein weiteres Newton'sches Axiom, das dritte:

„Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleichgroße, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).“

actio= reactio

Das bedeutet, Ihr "Kollisionsgegner" wirkt auf Sie und ihr Auto eine Kraft aus und wirft somit gleich wieder Energie auf Sie zurück. Die muss ihr Auto aufnehmen, und zwar indem diese Energie Verformungsarbeit an Ihrem Auto leistet. Das sieht dann so aus:

Und wenn Sie einen Baum treffen haben Sie noch Glück. Schlimmer wird's natürlich, wenn die ein anderes Auto treffen, das Ihnen mit ähnlich hoher Geschwindigkeit entgegenkommt.


Übrigens: Wie sieht das eigentlich mit LKW's aus?
Ein mittelschwerer LKW hat eine Masse von etwa 12 Tonnen (12.000 kg) und fährt nur mit 80 km/h. Seine kinetische Energie beträgt stolze 2.962.963 Joule. Und die wollen Sie sicher nicht abbekommen.

So, ich bin jetzt für 2 Wochen weg und habe keine Internetverbindung. Aber wenn ich wieder da bin geht's weiter. Jetzt habe ich 1,5 Stunden fahrt auf der Autobahn vor mir und fürchte, ich hätte dieses Thema zu einem anderen Zeitpunkt behandeln sollen...

Gute Erholung,
Christian