Einführung und Kennenlernen des Luftkissentisches

Launcher

Luftkissentisch

$m_{rot}=m_{grün}$

$m_{blau}=2 \cdot m_{grün}$

Ausgangsstellung speichern/abrufen

Ein- / Ausblenden von Messwerkzeugen

← Launcher / Startvorrichtungen →

Abschusswinkel einstellbar

Gebläse

Anleitungsvideo ein/aus

S

Die folgenden Bilder zeigen einen Puck-Launcher aus der Nähe: Das linke Bild zeigt die Winkelskala für die Einstellung der Abschussrichtung. Unterhalb der Abdeckung befindet sich ein kleiner Magnet, der im rechten Bild bei umgedrehtem Launcher sichtbar wird. Er bewegt einen Stift, durch den der zuvor eingerastete Puck je nach eingestellter Spannung am Kondensator mit unterschiedlicher Energie bzw. Geschwindigkeit, weggestoßen wird. Das untere Bild zeigt den Magneten etwas größer.

Im recht einfachen mechanischen Fall kann der Impulserhaltunssatz im Zweidimensionalen mit Hilfe von Stößen auf einem Luftkissentisch gleitender Pucks experimentell erkundet und überprüft werden:
Kennt man die Massen der Pucks und misst mittels eines geeigneten Verfahrens (z. B. Stroboskopaufnahmen) deren Geschwindigkeiten, kann man die - vektorielle - Impulssumme zu jedem Zeitpunkt, also insbesondere vor und nach einem Zusammenstoß, ermitteln. Somit lässt sich überprüfen, dass die Summe der Impulse im Rahmen der Messgenauigkeit immer gleich bleibt.

Der Impulserhaltungssatz ist neben dem Energieerhaltungssatz (und dem Drehimpulserhaltungssatz) einer der wenigen Erfahrungssätze in der Physik, der bei der Beschreibung aller Interaktionen materiebehafteter Objekte, seien es beispielsweise einfache mechanische Objekte oder auch Photonen, hilfreich ist.
Der Impulserhaltungssatz besagt, dass in einem abgeschlossenen System bei Interaktionen solcher Objekte (in Form von "Stößen") der Gesamtimpuls $\vec{p_{ges}}$ immer gleich groß bleibt. Dabei ist zu beachten, dass die Einzelimpulse (wie auch damit der Gesamtimpuls) vektorielle Größen darstellen, also durch einen Betrag und eine Richtung gekennzeichnet sind: $m_1\vec{v_1}+m_2\vec{v_2}+...=\vec{p_1}+\vec{p_2}+...=\vec{p_{ges}}=\vec{const}$ .

Hinweis: Für das Verständnis dieses gesamten Kapitels bilden die Kenntnis des Begriffs Impuls und die des Impulserhaltungssatzes in einer Dimension (Stöße z. B. auf der Luftkissenfahrbahn) eine notwendige Voraussetzung. In aller Regel sollten daher im Unterricht auch bereits Impuls und Impulserhaltung im Eindimensionalen untersucht worden sein. Aber erst durch eine zweidimensionale Betrachtung wird der vektorielle Charakter des Impulses wirklich evident.

Mit einem Luftkissentisch können verschiedene Experimente zu Stößen und Bewegungen nahezu reibungsfrei durchgeführt werden. Auf dem Tisch können zwei (oder ggf. auch mehrere) Pucks aufeinander stoßen, wobei über deren Massen und Geschwindigkeiten auch die Impulse vektoriell zugänglich sind.

Die beiden Startvorrichtungen für zwei Pucks sind an den "unteren" Ecken links und rechts am Tisch angebracht. Hier kann der Abschusswinkel in Schritten von 5° eingestellt werden.
Die Abschussgeschwindigkeit ist mit den Drehknöpfen ENERGY A/B in Stufen getrennt zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert einstellbar. Ein günstiger Startwert ist die Mittelstellung. Die Taste LAUNCH startet die Bewegung der Pucks.
Air Blower: Die Pucks bewegen sich nur mit eingeschaltetem Gebläse. Das Ausschalten während der Bewegung der Pucks stoppt deren Bewegung schnell ab.
Die Massen des roten und grünen Pucks sind gleich groß, der blaue Puck hat eine doppelt so große Masse: $m_{grün}=m_{rot}=\frac{1}{2}\cdot m_{blau}$. Das Einsetzen oder Zurücklegen der Pucks erfolgt durch einfaches Anklicken. Die Pucks sind auf dem Tisch frei verschiebbar. Im LAUNCHER A/B rasten die Pucks automatisch ein.
Die Taste TRACKING aktiviert die Stroboskopdarstellung der Bewegung, ähnlich wie dies bei der langzeitbelichteten Fotografie von blinkenden LED in den Pucks der Fall wäre. Die Blinkfrequenz beträgt $f = 10\,Hz$. In Stellung OFF/CLR wird die Spur gelöscht.
STORE speichert die gerade vorliegende Position der Pucks, SET ruft sie reproduzierbar wieder ab.
Die Taste IMPULSE blendet ein interaktives Vektor-Tool ein, mit dem sich die Impulserhaltung grafisch überprüfen lässt (siehe Anleitungsvideo). Der Betrag der Impuls-Vektoren lässt sich durch Abzählen einer festen Anzahl von Punkten auf den Spuren bestimmen.
Für die Auswertung kann über die Taste ▲ ein dreh- und schiebbares Geodreieck ein- bzw. ausgeblendet werden. Die Abmessungen des Tisches betragen $Länge=Breite=108\,cm$ innerhalb der Begrenzungsdrähte.
Betätigen Sie das orangefarbene "+"-Zeichen unten rechts unter dem IBE, um alle angebotenen Hotspots mit weiteren Erklärungen einzublenden.

Zum Kennenlernen der Bedienung des Luftkissentisches setzen Sie den grünen und den roten Puck in die jeweilige Abschussposition ein (grün: automatisch; rot: mit Verschieben) und stellen Sie unterschiedliche Abschussgeschwindigkeiten ein. Setzen Sie den blauen Puck an eine beliebige Stelle auf dem Tisch, speichern Sie die Konfiguration der drei Pucks mit STORE und zielen Sie mit beiden Launchern auf ihn. Schalten Sie das Gebläse ein und verfolgen Sie die sich ergebenden Bahnen auch mit Hilfe der TRACKING-Funktion. Stoppen Sie Bewegung der Pucks durch Ausschalten des Gebläses und stellen Sie mit SET die Ausgangsposition wieder her.

Ihnen wird vermutlich aufgefallen sein, dass es anfangs eine gewisse Zeit dauert, bis die Launcher betriebsbereit sind, was man am Aufleuchten bzw. Erlöschen des WAIT-Lämpchens oberhalb des Lauch-Tasters erkennt. Während dieser Wartezeit wird ein Kondensator im Betriebsgerät aufgeladen, der dann eine reproduzierbare Energie liefert für die Abstoß-Magnete, mit denen die Pucks in definierter Weise gestartet werden können.
Genaueres dazu erfahren Sie auf dieser Seite.

Lassen Sie einen Puck eine längere Zeit laufen, bis erkennbar wird, dass seine Geschwindigkeit abgenommen hat.
Beschreiben Sie, woran man die Abnahme der Geschwindigkeit erkennen kann und warum diese eintritt.
Bestätigen Sie die Geschwindigkeitsabnahme durch eine Messung.

Tipp

Prüfen Sie, ob der blaue Puck (mit der doppelten Masse der beiden anderen) in der gleichen Weise an Geschwindigkeit wie beispielsweise der grüne Puck verliert.
Definieren Sie dabei, was Sie unter "in der gleichen Weise" verstehen.

Sie müssen sicherstellen, dass die Messung für den blauen Puck unter den gleichen Bedingungen vorgenommen wird wie beim vorherigen grünen Puck.