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Aufgaben zu Kraftstoß, Kräfteberechnung/Impulse:

1. Aus einer Düse strömen je Sekunde 10 cm3 Wasser mit 1,0 m/s Geschwindigkeit waagerecht heraus. Welches reactio erfährt das Gefäß, wennn in ihm das Wasser ruht?

Und:

2. Die Motoren eines Löschfahrzeugs in Abschnitt 3 müssen allein zum Schöpfen die Kraft F = 2,5 x 104 N in Flugrichtung aufbringen. Auf welcher Strecke wirkt die Kraft? Welche Energie wurde zum Schöpfen aufgewendet? Welche Bewegungsenergie erhielt das Löschwasser? Erklären Sie den Unterschied.

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Aufgabe 1: Berechnung des Kraftstoßes durch ausströmendes Wasser

Um die Kraft (\(F\)) zu berechnen, die das Gefäß aufgrund der actio und reactio erfährt, wenn Wasser herausströmt, nutzen wir das Prinzip des Impuls-Erhaltungssatzes. Der Kraftstoß (\(I\)) ist definiert als die Änderung des Impulses (\(\Delta p\)) und steht mit der Kraft (\(F\)) und der Einwirkzeit (\(\Delta t\)) in Verbindung durch die Beziehung \(I = F \cdot \Delta t = \Delta p\).

Da das ausströmende Wasservolumen pro Sekunde gegeben ist, betrachten wir einen Zeitraum von 1 Sekunde, um die Berechnung zu vereinfachen. Die Masse des ausströmenden Wassers (\(m\)) pro Sekunde und dessen Geschwindigkeit (\(v\)) sind gegeben, wodurch wir den Impuls (\(p = m \cdot v\)) berechnen können.

1. Schritt: Masse des Wassers pro Sekunde berechnen \(m\):
\(Volumen = 10\, \text{cm}^3/s = 10 \times 10^{-6}\, \text{m}^3/s\)
Da die Dichte von Wasser etwa \(1000\, \text{kg/m}^3\) ist, ergibt sich für die Masse:
\(m = \text{Dichte} \times \text{Volumen} = 1000\, \text{kg/m}^3 \times 10 \times 10^{-6}\, \text{m}^3/s = 0,01\, \text{kg/s}\)

2. Schritt: Impuls des Wassers pro Sekunde berechnen \(\Delta p = m \cdot v\):
\( \Delta p = 0,01\, \text{kg/s} \times 1,0\, \text{m/s} = 0,01\, \text{kg} \cdot \text{m/s}\)

3. Schritt: Kraft auf das Gefäß berechnen \(F = \frac{\Delta p}{\Delta t}\):
Da wir den Impuls pro Sekunde (\(1\, \text{s}\)) berechnet haben, ist die Zeitspanne \(\Delta t = 1\, \text{s}\). Somit beträgt die Kraft:
\(F = \frac{0,01\, \text{kg} \cdot \text{m/s}}{1\, \text{s}} = 0,01\, \text{N}\)

Das Gefäß erfährt also eine Kraft von 0,01 Newton in entgegengesetzter Richtung zur Ausströmrichtung des Wassers.

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Aufgabe 2: Berechnung der Energie und Kraft auf einer gegebenen Strecke

Diese Aufgabe ist ohne zusätzliche Informationen hinsichtlich der Strecke oder der Geschwindigkeit des Wassers nur teilweise lösbar. Die Kraft (\(F = 2,5 \times 10^4\, \text{N}\)) und die Bewegungsenergie (\(E_k\)) stehen in Beziehung zueinander, aber ohne Angabe über die Strecke (\(s\)), Zeit (\(\Delta t\)), oder Masse (\(m\)) des Löschwassers kann man keine konkreten Berechnungen für die Energieanwendung oder die Bewegungsenergie des Wassers vornehmen.

Die Energie, die zum Heben bzw. Schöpfen des Wassers aufgewendet wird, kann generell durch die Arbeit (\(W\)) berechnet werden, die das Produkt aus der Kraft (\(F\)) und der durchlaufenen Strecke (\(s\)) ist:
\(W = F \cdot s\)

Ohne die Angabe der Strecke (\(s\)) kann die aufgewendete Energie oder die Bewegungsenergie des Löschwassers nicht spezifiziert werden. Für eine vollständige Lösung dieser Aufgabe benötigt man zusätzliche Informationen über den Zusammenhang zwischen der Zeit, der auf das Wasser angewendeten Kraft und den resultierenden Bewegungen (beispielsweise Geschwindigkeit oder Beschleunigung).

Um dennoch auf die Frage nach der Bewegungsenergie einzugehen: Die Bewegungsenergie (\(E_k\)) eines Objekts ist durch \(E_k = \frac{1}{2} m v^2\) definiert, wobei \(m\) die Masse und \(v\) die Geschwindigkeit darstellt. Erneut fehlen uns jedoch spezifische Angaben zur Masse des Löschwassers oder seiner Geschwindigkeit, um diese rechnerisch zu bestimmen.

Der Unterschied zwischen aufgewendeter Energie und erhaltener Bewegungsenergie in einem System hängt oft mit nicht-idealen Umständen wie Reibungsverlusten, Wärmeverlusten oder anderen Formen der Energieumwandlung zusammen, welche die Effizienz beeinflussen.
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