Aufgabe HT 3 - Kinematik und Energie im Bobrennsport · Abitur NRW Physik GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Aufgabenstellung:

Aufgabe: Entstehung und Analyse von Strahlung / Bobrennsport

Die Teilaufgaben 1 und 2 befassen sich mit der Emission und Absorption von Licht, die Teilaufgabe 3 mit mechanischen Fragestellungen zum Bobrennsport.

a)

Den Bahnrekord im Viererbob auf der Kunsteisbahn Winterberg stellten 2015 Nico Walther und seine damalige Besatzung auf. Er liegt bei $t_{\text{Bahnrekord}} = 53{,}48\text{ s}$.

• Bestimmen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit $\overline{v}$ der Rekordfahrt in der Einheit $\frac{\text{km}}{\text{h}}$.

Im Bobsport werden Fahrzeiten heute auf hundertstel Sekunden genau gemessen. Die wirklich erzielte Rekordzeit von Nico Walther liegt daher im Zeitintervall $53{,}475\text{ s} \le t_{\text{Bahnrekord}} < 53{,}485\text{ s}$, also in einem Zeitintervall der Länge $\Delta t = 0{,}01\text{ s}$.

• Ermitteln Sie die Strecke $\Delta s$, die Nico Walther während dieses Zeitintervalls $\Delta t$ bei der Rekordfahrt mit der Durchschnittsgeschwindigkeit $\overline{v}$ zurückgelegt hat.

b)

Das Anschieben des Schlittens am Start (siehe Abbildung 5b) zählt zu den entscheidenden Phasen eines Bobrennens. Da der Startbereich in Winterberg recht kurz und abschüssig ist, sollte die gesamte Viererbob-Besatzung spätestens nach etwa $t_{\text{Start}} \approx 4{,}0\text{ s}$ im Bob sitzen.

In Abbildung 6 ist das Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm für den Start eines Viererbobs auf der Bahn in Winterberg dargestellt.

• Begründen Sie qualitativ mithilfe von Abbildung 6, dass sich der Bob ab etwa $t = 5{,}0\text{ s}$ als gleichmäßig beschleunigt betrachten lässt.

• Zeigen Sie, dass die Beschleunigung $a_{\text{Bob}}$ bei der in Abbildung 6 dargestellten Fahrt ab etwa $t = 5{,}0\text{ s}$ gleich $a_{\text{Bob}} = 2{,}8\frac{\text{m}}{\text{s}^2}$ ist.

c)

Bestimmen Sie für die Fahrt aus Aufgabenteil b) die Strecke, die der Bob zwischen $t = 5{,}0\text{ s}$ und $t = 7{,}0\text{ s}$ zurücklegt.

d)

Auf dem Weg vom Start ins Ziel gewinnt ein Viererbob stetig kinetische Energie. Bleibt die beim Anschieben zugeführte Energie unberücksichtigt, folgt aus dem Höhenunterschied $\Delta h$ zwischen Start und Ziel der Eisbahn eine theoretische Maximalgeschwindigkeit $v_{\text{theo.max.}}$, mit der der Bob das Ziel höchstens durchfahren kann.

• Leiten Sie die Beziehung $v_{\text{theo.max.}} = \sqrt{2\cdot g\cdot \Delta h}$ her, wobei $g$ für die Fallbeschleunigung steht.

• Bestimmen Sie $v_{\text{theo.max.}}$ für die Bahn in Winterberg.

• Beschreiben Sie mindestens zwei Einflussfaktoren, die erklären, weshalb die tatsächliche Endgeschwindigkeit deutlich unter $v_{\text{theo.max.}}$ liegt.