Beschleunigung Fahrrad?

Wissenschaft Physik
#1

Guten Tag,

ich hab hier ein übungsblatt für physik das ich bald abgeben muss, aber leider komm ich ab der 2.ten aufgabe nicht mehr weiter

aufgabe: sie machen mit ihrem fahrrad eine tour durch die berge. das fahrrad hat eine gesamtmasse von 95kh (mit fahrer). das fahrrad hat nur einen gang

durchmesser hinterrad 65cm, d hinteres zahnkranz 7 cm, d vorderes zahnkranz 16cm.
länge tretkurbel l = 22cm
kraft die man auf die tretkurbel ausüben kann Ft= 550n

gefragt sind

  1. die beschleunigung die das fahrrad erfahren kann
    –> hab echt überall gesucht aber nicht die passende formel gefunden

2.ab welcher steigung beta reicht ihre kraft Ft zum antrieb des rades nicht mehr aus und sie müssen absteigen und schieben
hinweis g=9,81 m/s^2
–> hier ebenfalls , ist der ansatz richtig das ich irgendwas mit schiefe ebene einbringen muss?

bitt helft mir bin echt verzweifelt

achso hab noch ne frage allgemein
und zwar wie lautet die formel mit der man mit hilfe von radius und haftreikoeffizient die winkelgeschwindigkeit ausrechnen kann
und: in welcher einheit wird die winkelgeschwindigkeit angegeben?

liebe grüße und dank im voraus

#2

Hi…

aufgabe: sie machen mit ihrem fahrrad eine tour durch die
berge. das fahrrad hat eine gesamtmasse von 95kh (mit fahrer).
das fahrrad hat nur einen gang
durchmesser hinterrad 65cm, d hinteres zahnkranz 7 cm, d
vorderes zahnkranz 16cm.
länge tretkurbel l = 22cm
kraft die man auf die tretkurbel ausüben kann Ft= 550n

gefragt sind

  1. die beschleunigung die das fahrrad erfahren kann
    –> hab echt überall gesucht aber nicht die passende formel
    gefunden

Es gibt nicht für jede Aufgabe _die_ passende Formel. Oft braucht man mehr als eine.

Es ist von Kraft und Beschleunigung die Rede. Da fällt einem doch gleich mal F=ma ein.

Aber welche Kraft beschleunigt das Fahrrad? Die Kraft, die der Fuß auf das Pedal ausübt? Nur mittelbar. Wir brauchen die Kraft, die das angetriebene Rad auf die Straße ausübt. Wie groß ist diese Kraft?

2.ab welcher steigung beta reicht ihre kraft Ft zum antrieb
des rades nicht mehr aus und sie müssen absteigen und schieben
hinweis g=9,81 m/s^2
–> hier ebenfalls , ist der ansatz richtig das ich irgendwas
mit schiefe ebene einbringen muss?

Ja.

achso hab noch ne frage allgemein
und zwar wie lautet die formel mit der man mit hilfe von
radius und haftreikoeffizient die winkelgeschwindigkeit
ausrechnen kann

Dafür gibt es keine Formel, weil das nicht geht. Es fehlen weitere Angaben. Ja, mehr als eine.

und: in welcher einheit wird die winkelgeschwindigkeit
angegeben?

Gewöhnlich in 1/s, richtiger ist aber eigentlich rad/s
Siehe dazu http://de.wikipedia.org/wiki/Winkelgeschwindigkeit

genumi

#3

Hallo,

aufgabe: sie machen mit ihrem fahrrad eine tour durch die
berge. das fahrrad hat eine gesamtmasse von 95kh (mit fahrer).
das fahrrad hat nur einen gang

Masse 96 kg nicht kh

durchmesser hinterrad 65cm, d hinteres zahnkranz 7 cm, d
vorderes zahnkranz 16cm.
länge tretkurbel l = 22cm
kraft die man auf die tretkurbel ausüben kann Ft= 550n

550 N

gefragt sind

  1. die beschleunigung die das fahrrad erfahren kann
    –> hab echt überall gesucht aber nicht die passende formel
    gefunden

Da muß man die Zusammenhänge verstehen, um dann eine Lösung zu erarbeiten.
Das Suchen einer Formel ist in diesem Falle sinnlos.

2.ab welcher steigung beta reicht ihre kraft Ft zum antrieb
des rades nicht mehr aus und sie müssen absteigen und schieben
hinweis g=9,81 m/s^2

–> hier ebenfalls , ist der ansatz richtig das ich irgendwas
mit schiefe ebene einbringen muss?

Ja, denke ich schon:wink:

bitt helft mir bin echt verzweifelt

Wenn Du etwas systematisch vorgingst, brauchtest Du nicht „echt verzweifelt“ zu sein. Ihr müßt doch die Zusammenhänge mal erklärt bekommen haben.

achso hab noch ne frage allgemein
und zwar wie lautet die formel mit der man mit hilfe von
radius und haftreikoeffizient die winkelgeschwindigkeit
ausrechnen kann

Und zwar dafür gibt es keine Formel.

und: in welcher einheit wird die winkelgeschwindigkeit
angegeben?

1/s

Ungefährer Lösungsvorschlag ohne Anspruch auf Richtigkeit:

http://www.pic-upload.de/view-3775834/Save0077.jpg.html

1kp = 9,81 N (ich rechne noch mit den veralteten Dimensionen)

Gruß:
Manni

#4

Hallo

Ins unreine gedacht dürften die Durchmesser der Zahnkränze keine Rolle spielen: Es wird mit der Ktraft 550 N über 22 cm Tretkurbel ein Drehmoment von 121 Nm erzeugt und reibungsfrei auf die Hinterachse übertragen, wodurch bei einem Hinterradradius von 32,5 cm eine Vortriebskraft von 372 N auf die Fahrbahn übertragen werden kann. Nun muss man die nur noch der entsprechend großen Hangabtriebskraft (Gewichtskraft mal Sinus des Neigungswinkels beta) gleichsetzen und mit Arcusfunktion nach beta auflösen. Von Beta berechnet man dann den Tangens und erhält eine Neigung von 42,4 %.

Dass das so viel ist, liegt daran, dass man in der Realität die 550 N nicht bei jeder Stellung der Tretkurbel bzw. nicht mit dem vollen Hebelarm aufbringen kann, was hier aber vereinfachend angebommen wird.

Was mich an der Aufgabenstellung aber vor allem stutzig macht, ist die eigentlich formal richtige Beantwortung der schludrig formulierten ersten Frage, denn die lautet wie folgt:

  1. die Beschleunigung die das fahrrad erfahren kann

Die Beschleunigung, die das Fahrad erfahren kann, ist gleich g. Nämlich bei der Bergabfahrt auf einer unter 90° geneigten Ebene, d.h. im freien Fall.

Gruß
smalbop

#5

Hallo,

Ins unreine gedacht dürften die Durchmesser der Zahnkränze
keine Rolle spielen: Es wird mit der Ktraft 550 N über 22 cm
Tretkurbel ein Drehmoment von 121 Nm erzeugt und reibungsfrei
auf die Hinterachse übertragen, wodurch bei einem
Hinterradradius von 32,5 cm eine Vortriebskraft von 372 N auf
die Fahrbahn übertragen werden kann.

Nö, das wäre mir neu.
Es handelt sich hier um eine Übersetzung „ins Schnelle“.
Dadurch reduziert sich das Moment um das Übersetzungsverhältnis i = 7/16, also um den Faktor 0,4375.

Was meinst du weshalb man Getriebe (meist mit einer Übersetzung „ins Langsame“) einsetzt?
Um das Moment um den Faktor i (in diesem Falle wäre er 16/7 = 2,29) zu erhöhen und mit möglichst hohem Moment Geräte anzutreiben.

Bei welchem Gang im PKW hast Du die größte Anfahrkraft?
Im 1. Gang, wegen der Übersetzung „ins Langsame“.

Nun muss man die nur noch

der entsprechend großen Hangabtriebskraft (Gewichtskraft mal
Sinus des Neigungswinkels beta) gleichsetzen und mit
Arcusfunktion nach beta auflösen. Von Beta berechnet man dann
den Tangens und erhält eine Neigung von 42,4 %.

Nein!
Das wäre eine Steigung von ca. 23°.
Die kannst Du bei den vorgegebenen Daten nicht erreichen.

Dass das so viel ist, liegt daran, dass man in der Realität
die 550 N nicht bei jeder Stellung der Tretkurbel bzw. nicht
mit dem vollen Hebelarm aufbringen kann, was hier aber
vereinfachend angebommen wird.

??
Die UP fragte nach der Steigung für die die Kraft zum Fahren nicht mehr reicht, nicht nach der Neigung.

Was mich an der Aufgabenstellung aber vor allem stutzig macht,
ist die eigentlich formal richtige Beantwortung der schludrig
formulierten ersten Frage, denn die lautet wie folgt:

  1. die Beschleunigung die das fahrrad erfahren kann

Die Beschleunigung, die das Fahrad erfahren kann, ist gleich
g. Nämlich bei der Bergabfahrt auf einer unter 90° geneigten
Ebene, d.h. im freien Fall.

Man weiß aber was gemeint ist: Fahrrad mit Fahrer auf horizontaler Bahn.
Mit vieviel m/s² kann der Radfahrer beschleunigen.

Gruß:
Manni

1 Like
#6

Hallo,

Nö, das wäre mir neu.
Es handelt sich hier um eine Übersetzung „ins Schnelle“.
Dadurch reduziert sich das Moment um das
Übersetzungsverhältnis i = 7/16, also um den Faktor 0,4375.

Ich sagt ja, „ins unreine gedacht“. Du gehst also davon aus, dass die übertragbare Kraft sich auf 0,4375 von 372 N = 162,75 N reduziert? Damit wäre dann die Neigung also 9,8° und die Steigung 17,3 %.

Die UP fragte nach der Steigung für die die Kraft zum Fahren
nicht mehr reicht, nicht nach der Neigung.

Eben drum am Ende: tan(Neigungswinkel). Das ist die Steigung zur Neigung.

Man weiß aber was gemeint ist: Fahrrad mit Fahrer auf
horizontaler Bahn.
Mit vieviel m/s² kann der Radfahrer beschleunigen.

Das man das „weiß“, wäre noch zu beweisen…

Gruß
smalbop

#7

Hallo smalbop,

Ich sagt ja, „ins unreine gedacht“.

Na ja, grundsätzlich falsch wäre der treffendere Ausdruck.

Du gehst also davon aus,

dass die übertragbare Kraft sich auf 0,4375 von 372 N = 162,75
N reduziert? Damit wäre dann die Neigung also 9,8° und die
Steigung 17,3 %.

Ich gehe nicht nur davon aus (also ich nehme an), sondern es ist so!.

Man weiß aber was gemeint ist: Fahrrad mit Fahrer auf
horizontaler Bahn.
Mit vieviel m/s² kann der Radfahrer beschleunigen.

Das man das „weiß“, wäre noch zu beweisen…

Wer sollte das beweisen? Der OP?

Ich wußte das, da eigentlich sonst die Frage keinen Sinn hätte.

Gruß:
Manni

1 Like
#8

Hallo Manni

Na ja, grundsätzlich falsch wäre der treffendere Ausdruck.

Keineswegs, es wurde nur ein einziger von vielen ansonsten richtigen Rechenschritten unterschlagen. In einer Klausur gibt das immer noch etwa 80% der Maximalpunktzahl.

Ich wußte das, da eigentlich sonst die Frage keinen Sinn
hätte.

Die Frage hat so wie gestellt keinen Sinn, da notwendige Angaben fehlen. Man kann sich zwar denken, dass der Fragesteller den Zustand ebener Fortbewegung meinen könnte, aber Rätselraten gehört wohl nicht zu einer naturwissenschaftlichen Lösungsstrategie.

Gruß
smalbop

#9

ok danke schon mal für die hilfe!

deinen lösungsansatz muss ich mir nochmal verinnerlichen, bin nur bisschen irritiert weil du ja in anderen einheiten rechnest…

wofür genau stehen denn w und i?( ich weiss da steht übersetzungsverhältnis, aber ich kann mir nix genaues darunter vorstellen)

und bei der formel w=m*b , was ist b?

dankee nochmal an euch beide und liebe grüße

#10

Hallo,

deinen lösungsansatz muss ich mir nochmal verinnerlichen, bin
nur bisschen irritiert weil du ja in anderen einheiten
rechnest…

Na ja, ist nicht so schwer umzurechnen . Setze statt kp den 9,81- fachen Wert als N ein.

wofür genau stehen denn w und i?( ich weiss da steht
übersetzungsverhältnis, aber ich kann mir nix genaues darunter
vorstellen)

W ist die Widerstandskraft die aufgrund der Reibung zwischen Boden und Reifen ergibt (siehst Du in der Skizze).

i ist das Übersetzungsverhältnis. Dreht sich das große Kettenrad mit 16 cm Durchmesser einmal, dreht sich das kleine Ritzel mit 7 cm Durchmesser schneller, nämlich 16/7 = 2,286 mal.

Deshalb ist das Drehmoment am Ritzel kleiner um den Faktor 7/16.

und bei der formel w=m*b , was ist b?

Die gesuchte Beschleunigung in m/s² des Rades mit Fahrer.

dankee nochmal an euch beide und liebe grüße

Gruß:
Manni

#11

Hallo smalbop

Na ja, grundsätzlich falsch wäre der treffendere Ausdruck.

Keineswegs, es wurde nur ein einziger von vielen ansonsten
richtigen Rechenschritten unterschlagen. In einer Klausur gibt
das immer noch etwa 80% der Maximalpunktzahl.

Na, OK. Mag so sein.

Wenn ein Zahlenwert ca. 230% vom richtigen Ergebnis abweicht und noch mit ca. 80% der Maximalpunktzahl bewertet wird, wundern mich die Pisa- ergebnisse nicht.

Gruß:
Manni

1 Like
#12

ok danke, aber jetzt hab ich noch eine frage…
bei der rechnung zur maximalen steigung rechnest du ja hangabtriebskraft/gewichtskraft
un schreibst hin 16,28/95 *kp/kp
aber da beachtest du ja garnicht g, müsste es nicht heissten 16,28/95*9,81??

#13

Hallo,

Nein, dann stimmt die Dimension nicht! Du hättest s²/m. Es muß aber eine dimensionslose Zahl herauskommen.

Ich habe die Widerstandskraft ebenso in kp angegeben.
Sonst müßte ich bei diesem Wert ja auch g einführen.

Du kannst auch mit 159,7N/931,95N rechnen. Dann kommt für den Winkel ebenfalls ein Wert von sin(alpha) = 0,17 heraus.

Rechne am besten alles in N, so wie Du es gewohnt bist.

Gruß:
Manni

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#14

Moin,

Die Frage hat so wie gestellt keinen Sinn, da
notwendige Angaben fehlen. Man kann sich zwar denken, dass der
Fragesteller den Zustand ebener Fortbewegung meinen könnte,
aber Rätselraten gehört wohl nicht zu einer
naturwissenschaftlichen Lösungsstrategie.

Es gibt eine Masse und es gibt Kräfte.
Ergo gibt es auch eine Beschleunigung, wenn der Radfahrer anfährt.

Deine Begründung ist ebenfalls keine naturwissenschaftliche Lösungsstrategie.

Du solltest das der Fragestellerin daher nicht vorwerfen.

Grüße.

roysy

#15

Hallo

Es gibt eine Masse und es gibt Kräfte.
Ergo gibt es auch eine Beschleunigung, wenn der Radfahrer
anfährt.

Habe ich das in Abrede gestellt?

Ich hätte nur gerne gesehen, dass die Aufgabenstellung Teil 2 vollständig und eindeutig ist. So wie etwa Manni gerne gesehen hätte, dass der Lösungsweg Teil 1 vollständig ist. Ich würde sagen, wenn schon die Fragestellung unpräzise ist, braucht einen bezüglich der bei PISA bewerteten Antworten tatsächlich nichts zu wundern…

Gruß
smalbop

#16

Hallo Manni

Wenn ein Zahlenwert ca. 230% vom richtigen Ergebnis abweicht
und noch mit ca. 80% der Maximalpunktzahl bewertet wird,
wundern mich die Pisa- ergebnisse nicht.

Den Denkschluss verstehe ich nicht. Meines Wissens waren die Pisa-Ergebnisse doch eher mäßig, also niedere Punktzahlen - und nicht 80 % für - deiner Meinung nach - nichts brauchbares.

Abgesehen davon: Wenn eine völlig wirklichkeitsfremde Aufgabe gestellt wurde, habe ich kein Problem damit, einen vom rechnerisch „richtigen“ Ergebnis stark abweichenden Zahlenwert zu erhalten. Er ist nämlich so oder so Augenwischerei.

Weder kann man eine gleichbleibende, tangential wirkende Tretkraft bei jeder Kurbelstellung aufbringen noch kann man folglich damit die errechnete Steigung hochfahren. Wenn man aber nur das Kräftegleichgewicht bei der idealen Kurbelstellung betrachtet, dann kann man nur den Ruhezustand durchrechnen, in dem man gerade noch nicht zurückrollt, sondern steht, und im stehenden Zustand fällt ein Fahrradfahrer bekanntlich um, wenn er zu treten versucht, statt sich abzustützen.

Ich wette aber, dass ich für diese plausible Antwort in der PISA-Klausur null Punkte bekommen hätte. Stattdessen ist stumpfsinniges Durchrechnen ohne Hinterfragen der Aufgabenstellung gefragt. Und da, möchte ich sagen, wundern mich die Pisa-Ergebnisse nicht.

Gruß
smalbop

1 Like
#17

Hallo smalbop,

Abgesehen davon: Wenn eine völlig wirklichkeitsfremde Aufgabe
gestellt wurde, habe ich kein Problem damit, einen vom
rechnerisch „richtigen“ Ergebnis stark abweichenden Zahlenwert
zu erhalten. Er ist nämlich so oder so Augenwischerei.

Die starke Abweichung ergibt sich aber nur, weil Du das Übersetzungsverhältnis nicht berücksichtigtest. Sonst wärst Du zum gleichen Ergebnis wie ich gekommen.

Bei solchen (Schul-) Aufagben gibt es immer idealisierte Annahmen. Es geht doch um die Erkenntnis physikalischer und mathematischer Zusammenhänge.
So wird in dieser Aufgabe idealisiert angenommen, daß das durch die Kräfte an der Tretkurbel entstehende Moment immer gleich wäre. In der Praxis stimmt das so nicht.
So ein gleichförmiges Moment könnte aber durch z.b. einen Hilfsmotor erzeugt werden (war zwar hier nicht Grundlage der Aufgabe, es kommt doch nur auf ein gleichförmig wirkend gedachtes Moment an).

Aber auch in diesem Fall wäre Dein Ergebnis falsch wegen der unberücksichtigten Übersetzung.

Auch Du hast bei der Antwort vom 26.11.09; 09:47 idealisiert:
„…und reibungsfrei auf die Hinterachse übertragen.“
Auch das ist völlig wirklichkeitsfremd., bei Schulaufgaben aber doch die Regel.

Kurbelstellung betrachtet, dann kann man nur den Ruhezustand
durchrechnen, in dem man gerade noch nicht zurückrollt,
sondern steht, und im stehenden Zustand fällt ein
Fahrradfahrer bekanntlich um, wenn er zu treten versucht,
statt sich abzustützen.

Also ich falle mit meinem Fahrrad nicht sofort im Stillstand um, sondern kann durchaus einige Zeit balancieren, obwohl ich bei Steigung auf ein Pedal trete.

Stattdessen ist
stumpfsinniges Durchrechnen ohne Hinterfragen der
Aufgabenstellung gefragt.

Bei idealisierten Annahmen ist das richtige Rechnen und Erkennen von Zusammenhängen nicht „stumpfsinnig“, sondern dient der Übung.

Gruß:
Manni

1 Like