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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Frage an die Physikexperten


Stirling
2005-08-19, 14:46:17
Angeregt durch den Film "Lindbergh - mein Flug über den Ozean" folgende Frage:
Ein Flugzeug mit luftdicht abgeschlossenem Cockpit fliegt in einer bestimmten Höhe mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Es sitzt eine Fliege im Cockpit auf dem Armaturenbrett. Es ist klar das in diesem Moment das Flugzeug die Energie aufbringen muss um sich selbst, den Piloten und die Fliege zu transportieren. Man könnte auch sagen "das Gewicht des Flugzeugs, des Piloten und der Fliege ergibt "x"." x ist in diesem Fall der Auftrieb der nötig ist um die drei Objekte (Flugzeug,Pilot,Fliege) in der Luft zu halten.
Wenn jetzt aber die Fliege anfängt im Cockpit umher zu fliegen, was passiert mit "x" ? Das Cockpit ist luftdicht abgeschlossen, die Fliege hat also keine Möglichkeit ihren selbst erzeugten Auftrieb irgendwie nach draussen weiterzugeben, wird das Gewicht des Flugzeugs leichter?
Oder wirken die Luftmoleküle in dem Fall einfach nur als Trägermittel und das Gewicht/Auftrieb des Flugzeugs bleibt gleich unabhängig ob die Fliege auf den Armaturen sitzt oder umherfliegt?

Das gleiche physikalische Problem dürfte auch im Alternativszenario mit Container und Tauben bestehen: Ein Schiffscontainer, 8 Tonnen Leergewicht, und darin 1000 Tauben. Jede Taube wiegt z.b. 1 Kilo, also Gesamtgewicht des Containers mit den Tauben 9 Tonnen. Der Container ist ebenfalls luftdicht abgeschlossen, was passiert aber nun mit dem Gewicht des Containers wenn man kräftig auf die Aussenhaut schlägt so das alle Tauben blitzartig in die Luft steigen. Wird das Gewicht des Containers in dem Moment weniger? Oder wird (dadurch das die Luft nicht entweichen kann) das Gewicht nicht verändert wenn die Tauben im Container umherfliegen?

Drittes Alternativszenario:
Eine Feuerwerksrakete (z.b. 100 Gramm Gewicht) und ein (für das Experiment feuerfester) Luftballon (2 Gramm Gewicht). Was passiert wenn man die Rakete im inneren des Ballons zündet? (Angenommen der Luftballon fängt nicht an zu brennen und die Rakete hat genügend Luft um zu brennen)
Hebt die Rakete den Ballon an? Oder fliegt sie wild im inneren umher aber der Ballon hebt nicht ab da die Rakete ihre Kraft nicht auf die äussere Umgebung übertragen kann?

Ich denke es handelt sich bei allen 3 Szenarien um das gleiche physikalische Problem, kann mal jemand mit entsprechenden Kenntnissen etwas dazu sagen?

Distroia
2005-08-19, 15:55:49
Also die Beispiele mit der Fliege und den Tauben lassen sich ziemlich einfach erklären.

Während die Tauben in dem LKW fliegen, entsteht in der Luft unter ihren Flügeln ein Überdruck, während über ihren Flügeln ein Unterdruck entsteht. Dadurch wird der LKW nach unten gedrückt. Nach außen macht es keinen Unterschied, ob der LKW nur wegen seiner Gewichtskraft oder wegen seiner Gewichtskraft und dem Schlagen der Flügel gegen die Brücke drückt. Das gilt, solange die Vögel ihrer "Flughöhe" innerhalb des Containers beibehalten. In dem Moment, in dem sie noch in die Luft steigen, wird die Kraft nach unten sogar noch etwas größer. Während sie wieder Absinken wird sie dementsprechend natürlich wieder kleiner.

Das Beispiel mit der Fliege im Flugzeug kann man genauso erklären. Du hast dir die Frage ja schon selbst beantwortet ("Oder wirken die Luftmoleküle in dem Fall einfach nur als Trägermittel und das Gewicht/Auftrieb des Flugzeugs bleibt gleich unabhängig ob die Fliege auf den Armaturen sitzt oder umherfliegt?").
Wenn es in dem Cockpit ein Vakuum gäbe, könnte die Fliege auch nicht fliegen. ;)

Man kann beides auch ganz einfach mit dem 3. Newton'schen Axiom erklären (actio=reactio). Damit sich die Tauben oder Fliegen in der Luft halten können, muss eine nach oben gerichtete Kraft auf sie wirken, welche gleich ihrer Gewichtskraft ist. Diese kann, während sie fliegen, nur aus der Luft unter ihren Flügeln kommen. Die Tauben oder die Fliege müssen eine gleichgroße Kraft in Gegenrichtung verursachen, damit das 3. Newton'sche Axiom erfüllt ist. Sie verursachen also eine nach unten gerichtete Kraft auf die umgebende Luft, die sie wiederum auf den Rest des LKW oder des Flugzeugs wirkt. Diese Kraft entspricht ihrer Gewichtskraft.

Das dritte Beispiel ist ziemlich schwierig zu erklären. Ich sage nur Impulserhaltungssatz, Schwerpunktsatz, Elastischer/Unelastischer Stoß...

Aber um es kurz zu machen: die Rakete wird sich mit dem Ballon nach oben bewegen. Durch das Gewicht des Ballons wird die mit dem Ballon aber etwas langsamer fliegen, als sie das alleine tun würde.

Hardwaretoaster
2005-08-19, 16:03:14
3. Newton'schen Axiom
WElches es genau ist, hätte ich nicht mehr gewusst, aber genau das ist es, kann sogar noch ein Szenario nenne, dass auch darauf basiert (Zu jeder Kraft gibt es eine Gegenkraft mit gleichem Betrag und entgegengesetzter Richtung...)
Das kannst du sogar ausprobieren:
Glas mit Wasser auf eien Waage, dann steck einfach 'nen Finger rein, ins Wasser, ohne das Glas zu berühren, die Waage wird auch mehr anzeigen.

Stirling
2005-08-20, 03:05:40
Besten Dank für die Erklärungen!

Gast
2005-08-20, 03:22:27
Aber um es kurz zu machen: die Rakete wird sich mit dem Ballon nach oben bewegen. Durch das Gewicht des Ballons wird die mit dem Ballon aber etwas langsamer fliegen, als sie das alleine tun würde.

Das ist falsch,
denn wenn der Ballon geschlossen ist, wie im Beispiel gesagt wurde,
dann drückt der Abgasstrahl der Rakete auf den Boden der Ballonhülle womit
die Kraft der Rakete die oben an der Ballonhülle drückt wieder aufgeboben wird.

Für den Ballon ändert sich also gar nichst.

Den wenn es so wäre, dann hätte man ja einen ganz neuen Weltraumantrieb.
Man stelle sich einen Zylinder vor, der mit Luft gefüllt ist, um die Rakete zu simulieren baut man nun nen Propeller in den Zylinder und startet den nun.
Laut deiner Aussage müßte dies dafür sorgen, daß sich der Zylinder im Weltraum nach vorne beweg, aber das ist nicht der Fall, da die Abgesossenen Luftmolekühle wieder
auf der Zylinderwand auftreffen und daher sich beide Kräfte aufheben.

Nicht anders ist es mit dem Ballon.

Gast
2005-08-20, 03:24:57
Generell spielen Kräfte innerhalb eines geschlossenes System auf den Behälter der sie umgibt keine Rolle.

Ein Flugzeug fliegt also nicht höher oder tiefer, nur weil die Fliege im Flugzeug gerade abhebt.
Es herrscht Kräftegleichgewicht.

Sony
2005-08-20, 04:57:57
Distroia hat bei dem Luftballonszenario sogar in zweierlei Hinsicht Recht:

1. Wenn der Ballon beim Start der Rakete am Boden liegt. Dann hebt ihn der Impuls der auf die Ballonhülle schlagenden Rakete bereits an.

Wenn der Ballon schwebt, bewegt er sich beim Zünden der Rakete zunächst entgegen der Raketenflugbahn (im Beispiel also nach unten), weil der Strahl einen so gerichteten Impuls auf die Ballonhülle überträgt. In dem Moment, wo die Rakete nun auf die Ballonhülle schlägt, wird die Abwärtsbewegung wieder aufgehoben. In welchem Masse hängt nun noch von der Raketenart ab. Ob sie zum Beispiel Teile der Luft verbrennt oder selbst nur Stoffe freisetzt.

2. In der Atmosphäre müsste ein solcher Ballon mit innen brennender Rakete neben den genannten "Zappelbewegungen" in jedem Fall durch thermische Ausdehnung des Gases aufsteigen...

betasilie
2005-08-20, 05:03:13
Ganz einfach:

Fliegt sie nach hinten, braucht das Flugezug weniger Energie.
Fliegt sie wieder nach vorne, braucht das Flugzeug mehr Energie.
Das gleich gilt für oben und unten.

Macht das viel aus? ... Nein
Würde das viel ausmachen, wenn die Fliege eine Masse von 500kg haben? ... Ja

Sony
2005-08-20, 05:05:47
Generell spielen Kräfte innerhalb eines geschlossenes System auf den Behälter der sie umgibt keine Rolle.

Ein Flugzeug fliegt also nicht höher oder tiefer, nur weil die Fliege im Flugzeug gerade abhebt.
Es herrscht Kräftegleichgewicht.
Unterhalte Dich mal mit einem Fahrstuhlhersteller oder dem Konstrukteur pneumatischer Bohr- oder Presslufthämmer über Impulserhaltung und Massenträgheit!
Oder springe doch in einem fahrenden Aufzug einfach selbst mal auf und ab...

Gast
2005-08-20, 09:56:55
jo der ballon wird sich theoretisch nicht bewegen. schließlich kann ich ja auch nicht auf dem deck stehend in die segel pusten um mein schiff anzutreiben;)
wie schon genannt actio=reactio

Piffan
2005-08-20, 11:59:29
Mal ein anderes Rätsel: In einem Bus ist ein Lufballon. Nun macht der Bus ne Vollbremsung, oder noch anschaulicher, der Bus kommt an einem Hindernis schlagartig zum Stehen. Wie verhält sich der Luftballon? Wird er nach vorne fliegen oder nach hinten? :D

Amarok
2005-08-20, 12:40:14
Er fliegt nach hinten..;)

MadMan2k
2005-08-20, 12:53:08
Er fliegt nach hinten..;)
kommt drauf an was für ein gas drin ist ;)

Momo
2005-08-20, 12:58:44
er fliegt auf jeden fall nach vorne, egal welches gas drin ist...

MadMan2k
2005-08-20, 13:25:56
er fliegt auf jeden fall nach vorne, egal welches gas drin ist...
wenn dichte_Gas < dichte_Luft, drückt ihn die Luft nach hinten.

MadMan2k
2005-08-20, 13:27:14
Generell spielen Kräfte innerhalb eines geschlossenes System auf den Behälter der sie umgibt keine Rolle.
in Erdnähe haben wir aber die Erdanziehungskraft und den Luftdruck...

Piffan
2005-08-20, 13:46:30
Tja, ist nicht so ganz einfach die Sache.

Gesetzt den den Fall, dass im Ballon normale Luft ist, dann wird der Ballon im Normalfall nach hinten gedrückt. Eine Ausnahme könnte bestehen, wenn der Ballon sehr schwer ist, also eher ein Ball ist, oder die Ballonhaut so stramm ist, dass die Luft stark komprimiert wird und damit die Dichte erhöht ist.

Was passiert nun beim Aufprall? Die Luft strömt aufgrund ihrer Massenträgheit nach vorn. Es entsteht also ein Druckgradient von vorne bis hinten. Dieser Druckunterschied sorgt dafür, dass der Ballon nach hinten getrieben wird.

Amarok und MadMan haben recht.

Übrigens stammt das Rätsel aus der Knoffhoff- Show, es gibt also einen praktischen Beweis.

jorge42
2005-08-20, 19:39:27
bei der ganzen sache mit den fliegenden tauben oder der fliege muss man mindestens 2 zeiträume betrachten.

einmal den zeitraum der bewegung also start, abremsung, und wieder landen.
und einmal wenn die tauben/fliegen auf dem boden hocken und der, in dem die tauben in der luft schweben.

im letzteren fall verändert isch das system nicht, es ist egal ob sie hocken oder fliegen.

wenn die tauben losfliegen haben sie aber eine bewegung nach oben. auf grund der impulserhaltung wird der container und das schiff nach unten gedrückt. natürlich nicht ganz so doll wegen der ungleich verteilten massen :smile:

die tauben müssen irgendwann wieder stoppen, entweder sie knallen gegen die decke oder sie bremsen ab und bleiben in der luft m schwebe flug.

in beiden fällen verändert sich ihr impuls und somit das des schiffes wieder in umgekehrter richtung, das system taube/container/schiff ist wieder da wo es vor dem start war.

denn wie schon vorher richtig erkannt wurde, die luft die die tauben nach oben drückt (im schwebeflug), kompensiert das gewicht der tauben.

deshalb hinkt auch der vergleich mit dem springer im fahrstuh. er kann sich nicht in der luft halten wie die tauben und knallt wieder auf den boden, der impulserhaltungssatz bleibt erhalten. dass der fahrstuhl beim absprung bzw. auftreffen reagiert ist klar, er muss den veränderten Impuls kompensieren. der springer erhöht den impuls durch hochspringen, der fahrstuhl wird um den proportionalen betrag langsamer p=m1*v1+m2*v2. beim runterkommen des springers ist das natürlich nicht mehr so gegeben, weil der impuls des springers durch die schwerkraft wieder verändert wurde, also eine änderung von aussen, die vorher (so) nicht gegeben war. (die seile wirken der schwerkraft entgegen, im flug ist der springer jedoch von den seilen getrennt).

Spasstiger
2005-08-20, 19:51:25
Wenn jetzt aber die Fliege anfängt im Cockpit umher zu fliegen, was passiert mit "x" ?
Nichts, schließlich ist die Fliege immer noch Teil des Bezugssystems.

Wird das Gewicht des Containers in dem Moment weniger? Oder wird (dadurch das die Luft nicht entweichen kann) das Gewicht nicht verändert wenn die Tauben im Container umherfliegen?
Es verhält sich genauso wie im ersten Fall, nach außen hin ändert sich das Gewicht nicht, solange die Tauben nicht gegen die Containerwand stoßen bzw. den Container zum Schwingen bringen.

Hebt die Rakete den Ballon an? Oder fliegt sie wild im inneren umher aber der Ballon hebt nicht ab da die Rakete ihre Kraft nicht auf die äussere Umgebung übertragen kann?

Wenn man annimmt, dass die Rakete nicht gegen die Wand des Ballons stößt und nie so nah an die Ballonwand kommt, dass diese durch den Rückstoß in Schwingungen versetzt wird, bleibt der Ballon einfach am gleichen Fleck liegen.

DH[ger]
2005-08-20, 23:41:24
Also zu dem mit der Fliege:
Wenn die Maschine sitzt, dann gibt sie ihr kg (fettes Ding) dierekt an das cockbip weiter, was die Masse des flugzeuges erhöht. Wenn sich jetzt abhebt, dann muss sich den Auftrieg erzeugen, der benötigt wird ,um 1kg zu heben. Während sie nun in der Luft schwebt muss gibt sie ja die Kraf an die Luftmoleküle weiter. Wir können aber nicht davon ausgehen, dass sich die an die Lustfmoleküle übertragene Kraft nur nach unten wirkt, sondern dass sich die Luftmoleküle quasi auch nach rechts und links bewegen. So dürfte doch eigentlich das flugzeug ein bisschen (nicht ein kg(=gewicht der fliege)) leichter sien, wenn die fliege schwebt, oder sehe ich das falsch??

Gast
2005-08-21, 01:31:57
bei der ganzen sache mit den fliegenden tauben oder der fliege muss man mindestens 2 zeiträume betrachten.

einmal den zeitraum der bewegung also start, abremsung, und wieder landen.
und einmal wenn die tauben/fliegen auf dem boden hocken und der, in dem die tauben in der luft schweben.

im letzteren fall verändert isch das system nicht, es ist egal ob sie hocken oder fliegen.

wenn die tauben losfliegen haben sie aber eine bewegung nach oben. auf grund der impulserhaltung wird der container und das schiff nach unten gedrückt. natürlich nicht ganz so doll wegen der ungleich verteilten massen :smile:

die tauben müssen irgendwann wieder stoppen, entweder sie knallen gegen die decke oder sie bremsen ab und bleiben in der luft m schwebe flug.

in beiden fällen verändert sich ihr impuls und somit das des schiffes wieder in umgekehrter richtung, das system taube/container/schiff ist wieder da wo es vor dem start war.

denn wie schon vorher richtig erkannt wurde, die luft die die tauben nach oben drückt (im schwebeflug), kompensiert das gewicht der tauben.

deshalb hinkt auch der vergleich mit dem springer im fahrstuh. er kann sich nicht in der luft halten wie die tauben und knallt wieder auf den boden, der impulserhaltungssatz bleibt erhalten. dass der fahrstuhl beim absprung bzw. auftreffen reagiert ist klar, er muss den veränderten Impuls kompensieren. der springer erhöht den impuls durch hochspringen, der fahrstuhl wird um den proportionalen betrag langsamer p=(m1+m2)*(v1+v2). beim runterkommen des springers ist das natürlich nicht mehr so gegeben, weil der impuls des springers durch die schwerkraft wieder verändert wurde, also eine änderung von aussen, die vorher (so) nicht gegeben war. (die seile wirken der schwerkraft entgegen, im flug ist der springer jedoch von den seilen getrennt).


Genau das meinte ich weiter oben.

Bin der Gast von 2005-08-20 03:22:27

Gast
2005-08-21, 01:39:03
']Also zu dem mit der Fliege:
Wenn die Maschine sitzt, dann gibt sie ihr kg (fettes Ding) dierekt an das cockbip weiter, was die Masse des flugzeuges erhöht. Wenn sich jetzt abhebt, dann muss sich den Auftrieg erzeugen, der benötigt wird ,um 1kg zu heben.


Moderne Flugzeuge haben Druckkabinen, die Luft im Flugzeug gehört damit
zur Masse des Flugzeugs.
Die Luft ist also wie die Schraube am Pilotensitz ein Teil des Gesamtsystems.

Bewegungen innerhalb dieses Gesamtsystems ändern von außen gesehen gar nichts
an der Bewegung des Flugzeugs, da die Masse des Flugzeugs von außen gesehen immer die selbe bleibt, dauch dann, wenn innen eine Turbine mit 6000 Umdrehungen die Luft durcheinanderwirbelt.

Distroia
2005-08-21, 04:04:03
Nochmal zu dem Beispiel mit dem Ballon...

Vielleicht hab ich die Frage nicht richtig verstanden bzw. die Erklärung war nicht genau genau genug. Ich bin davon ausgegangen, dass der Ballon am Anfang auf dem Boden liegt.

Wenn der Ballon z.B. im Weltall frei schweben würde, würden sich das System Rakete/Ballon nicht vorwärts bewegen, denn dann könnte man beides zusammen als abgeschlossenes System betrachten, und da ist der Impuls immer konstant, sowohl vom Betrag als auch von der Richtung her. Der Schwerpunkt des Systems Ballon/Rakete würde sich nicht bewegen, denn bei Abwesenheit äußere Kräfte beschreibt der Schwerpunkt eine geradlinige Bahn.


Wenn der Ballon auf dem Boden liegt, kann man den Ballon und die Rakete nicht mehr als abgeschlossenes System betrachten, denn der Ballon kann eine Kraft auf den Boden ausüben. Während der Ballon und die Rakete in der Luft sind, könnte man sie näherungsweise als abgeschlossenes System betrachten, weil die Dichte der Luft so gering ist, dass fast keine Kraft zwischen Ballon und Luft übertragen wird. [Edit: natürlich abgesehen von der Gravitiationskraft]


Was auch eine Rolle spielt ist, wie groß der Ballon ist. Hat die Rakete vorher genug Platz um schwung zu holen, bevor sie auf die Hülle des Ballons trifft, oder passt sie gerade so in den Ballon rein? Ich bin von einem größeren Ballon ausgegangen, aber ich glaub du hattest eher an einen normalen Luftballon gedacht. In dem Fall hätte der Gast natürlich Recht...

jorge42
2005-08-21, 09:01:12
Moderne Flugzeuge haben Druckkabinen, die Luft im Flugzeug gehört damit
zur Masse des Flugzeugs.
Die Luft ist also wie die Schraube am Pilotensitz ein Teil des Gesamtsystems.

Bewegungen innerhalb dieses Gesamtsystems ändern von außen gesehen gar nichts
an der Bewegung des Flugzeugs, da die Masse des Flugzeugs von außen gesehen immer die selbe bleibt, dauch dann, wenn innen eine Turbine mit 6000 Umdrehungen die Luft durcheinanderwirbelt.

generell stimmt das schon, aber das einschalten bzw ausschalten der turbine beinflussen wohl das system. das flugzeug macht einen satz nach vorne bzw. nach hinten. das system wird erst dann nicht mehr beinflusst wenn die turbine ihre volle drehzahl erreicht hat bzw. aufhört sich zu drehen und der gestartete Luftstrom das andere ende der kabine erreicht und seinen impuls (wieder) an das Flugzeug geben kann.

im angenommenen fall die Flugzeugkabine sei rechnerisch unendlich lang (mal die massen vernachlässigen), dann würde so ein antrieb innerhalb der kabine funktionieren. :smile: