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Aufgabe:

Ein Auto rollt mit 20 m/s über eine Straße, dann wird die Straße auf einer Strecke von 3 Metern so schlecht so das 100 N pro Meter auf das Auto bremsend wirken. Welche Geschwindigkeit v hat das Auto danach?


Ansatz/Problem:

Mir würde jetzt einfallen das ganze als Arbeit anzusehen. Insgesamt muss das Auto 300 Nm an Arbeit verrichten und diese ziehe ich von der kinetischen Energie bei 20 m/s ab und löse neu nach v auf. Doch das soll Falsch sein.

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Grundgleichung der Mechanik F = m * a

Ohne die Masse m zu kennen ist das aussichtslos.

Selbst mit Masse müsste man doch erst mal wissen, welche physikalische Größe das sein soll, deren Wert " 100 N pro Meter " sein soll.

100 N wäre eine Kraft. 100 N pro Quadratmeter (= 100 Pa) wäre ein Druck. Aber 100 N pro Meter ?

Aber 100 N pro Meter ?

Ist doch ganz klar die Federkonstante, mit der das Auto zurückgedrückt wird.

Wie konntest du da nur zweifeln ?!

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Antwort mit KI erzeugt

Aufgabe:

Wir haben ein Auto, das mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s fährt und auf einer Strecke von 3 Metern einer bremsenden Kraft ausgesetzt ist, die 100 N pro Meter beträgt. Unsere Aufgabe ist es, die neue Geschwindigkeit \(v\) des Autos nach dieser Bremsstrecke zu berechnen.

Ansatz:

Um diese Aufgabe zu lösen, betrachten wir die Energieerhaltung. Die kinetische Energie, die das Auto zu Beginn hat, wird durch die Arbeit reduziert, die gegen die Bremskraft verrichtet wird.

1. Initial kinetische Energie berechnen

Die Anfangsgeschwindigkeit des Autos ist \(v_0 = 20 \, m/s\). Die Masse des Autos wird nicht direkt gegeben, daher stellen wir die kinetische Energie allgemein dar als:

\( E_{kin,0} = \frac{1}{2}mv_0^2 \)

wobei \(m\) die Masse des Autos ist.

2. Bremsarbeit berechnen

Die Bremskraft wirkt über eine Strecke von 3 Metern und beträgt 100 N pro Meter. Die gesamte Bremskraft ist also \(F = 300 \, N\) (100 N/m * 3 m).

Die verrichtete Arbeit \(W\) durch diese Kraft über die Strecke \(s = 3 \, m\) ist:

\( W = F \cdot s = 300 \, N \cdot 3 \, m = 900 \, J \)

3. Endkinetische Energie berechnen

Die endgültige kinetische Energie \(E_{kin,1}\) ergibt sich aus der anfänglichen kinetischen Energie minus der Bremsarbeit:

\( E_{kin,1} = E_{kin,0} - W \)

Setzen wir die bekannten Werte ein:

\( E_{kin,1} = \frac{1}{2}mv_0^2 - 900 \)

4. Neue Geschwindigkeit berechnen

Um nach \(v_1\) aufzulösen, setzen wir \(E_{kin,1}\) gleich der Formel für kinetische Energie und lösen nach \(v_1\) auf:

\( E_{kin,1} = \frac{1}{2}mv_1^2 \)

\( \frac{1}{2}mv_0^2 - 900 = \frac{1}{2}mv_1^2 \)

Da die Masse \(m\) in beiden Terme vorkommt, kürzt sie sich heraus. Wir lösen nach \(v_1^2\) auf:

\( v_0^2 - \frac{1800}{m} = v_1^2 \)

Ohne die Masse des Autos zu kennen, ist es tatsächlich falsch, anzunehmen, dass die Masse sich einfach herauskürzt, ohne sie in die Rechnung einzubeziehen. Der korrekte Ansatz muss die Masse des Autos berücksichtigen, um die genaue neue Geschwindigkeit zu finden. Die Bremskraft verringert die kinetische Energie, und ohne die Masse können wir den exakten Einfluss auf die Geschwindigkeit nicht berechnen, da ich den Rechenschritt inkorrekt beschrieben habe, indem ich unmittelbar von der Änderung der kinetischen Energie auf die Geschwindigkeitsänderung geschlossen habe, ohne die Masse korrekt zu berücksichtigen.

In Wirklichkeit sollte man so vorgehen:

\( \frac{1}{2}mv_0^2 - W = \frac{1}{2}mv_1^2 \)

Daraus ergibt sich:

\( v_1 = \sqrt{v_0^2 - 2\frac{W}{m}} \)

Ohne die Masse \(m\) können wir \(v_1\) nicht direkt berechnen. Der anfängliche Ansatz, in der Frage einen Fehler zu sehen, liegt daran, dass wir die Gleichung falsch angewendet haben. Die korrekte Anwendung erfordert tatsächlich Kenntnis über alle Variablen einschließlich der Masse des Autos, um die neue Geschwindigkeit präzise berechnen zu können.
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