Erzwungene Kreisbewegung

Ein Körper, der sich auf einer Kreisbahn bewegt, muss mit der Umgebung andauernd Impuls austauschen. Die Impulsänderungsrate heisst auch resultierende Kraft auf den Körper. Die Normalkomponente dieser resultierenden Kraft zeigt gegen die Mitte des Kreises. Sie ändert die Bewegungsrichtung des Körpers. Die Tangentialkomponente der resultierenden Kraft beeinfluss dagegen nur die Schnelligkeit.

Schülerinnen und Schüler sowie Studierende an einer Hochschule haben Mühe, die Kreisbewegung physikalisch zu verstehen. Als Ursache für diese Schwierigkeiten kommen mehrere Einflussfaktoren in Frage

• der Zusammenhang zwischen Kraft, Impuls und Energie wird nicht durchschaut
• die Kreisbewegung wird als nicht beschleunigt empfunden, weil die kinetische Energie erhalten bleibt
• der Begriff der Beschleunigung als Ableitung eines Vektors (der Geschwindigkeit) nach der Zeit ist zu abstrakt
• der Austausch von Impuls mit der Erde bei der Kurvenfahrt und bei einem an einem Seil befestigten Körper wird nicht als solcher wahrgenommen, weil keine Energie mit transportiert wird.

Modell

Die Kreisbewegung dynamisch zu modellieren ist eine Alternative zum klassischen Weg über die Newtonschen Axiome mit Zentralkraft und Zentral- oder Normalbeschleunigung. Das System bestehe aus einem Klotz, der sich festgebunden an einem elastischen Seil um einen Pflock bewegt. Reibung in der Gleitschicht zwischen Klotz und Unterlage und in der Seilführung wird vernachlässigt. Das Seil verhalte sich wie eine lineare Feder, d.h. die Seilkraft nimmt linear mit der Dehnung, der Verlängerung gegenüber dem nicht gespannten Zustand zu.