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Drehmoment, Wellrad und Fahrrad

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Team Digital
Drehmoment, Wellrad und Fahrrad
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Drehmoment, Wellrad und Fahrrad Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Drehmoment, Wellrad und Fahrrad kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die wichtigen Aspekte bei einer Gangschaltung des Fahrrads.

    Tipps

    Das Drehmoment $M$ ist definiert als das Produkt aus dem Radius $r$ und einer senkrecht dazu wirkenden Kraft $F$.

    Ein bekanntes Beispiel für die Anwendung des Wellrads ist die Kettenschaltung beim Fahrrad.

    Die Gleichheit der Drehmomente zwischen dem Pedal und dem Kettenblatt sowie zwischen dem Ritzel und dem Hinterrad spielt dabei eine entscheidende Rolle.

    Lösung

    Das Drehmoment $\boldsymbol{M}$ ist definiert als das Produkt aus dem Radius $\boldsymbol{r}$ und einer senkrecht dazu wirkenden Kraft $\boldsymbol{F}$. Es beschreibt die Tendenz einer Kraft, ein Objekt um einen bestimmten Punkt zu drehen. Im Fall eines Wellrads gilt das Prinzip der Gleichheit der Drehmomente für alle Elemente.

    Ein bekanntes Beispiel für die Anwendung des Wellrads ist die Kettenschaltung beim Fahrrad. Die Gleichheit der Drehmomente zwischen dem Pedal und dem Kettenblatt sowie zwischen dem Ritzel und dem Hinterrad spielt dabei eine entscheidende Rolle:
    In einem niedrigen Gang, also bei einem kleineren Kettenblatt vorn und einem größeren Ritzel hinten, wird die Kraftübertragung auf die Straße verbessert. Dies ermöglicht es der radfahrenden Person, leichter anzufahren oder Steigungen zu bewältigen.
    Im Gegensatz dazu führt ein höherer Gang, also ein größeres Kettenblatt vorn und ein kleineres Ritzel hinten, zu einer höheren Übersetzung der Kurbeldrehungen in Raddrehungen. Dadurch kann die Person bei höheren Geschwindigkeiten effizienter in die Pedale treten, jedoch mit weniger Kraftübertragung auf die Straße.

  • Benenne die Teile des Fahrrads.

    Tipps

    Das Formelzeichen $F$ steht immer für eine Kraft.

    Das Formelzeichen $r$ steht immer für einen Radius.

    Schaue dir die Abbildung genau an: Auf der linken Seite siehst du das Rad des Fahrrads.

    Lösung

    Die Kette eines Fahrrads ist ein zentrales Übertragungselement, das die Kraftübertragung zwischen den Pedalen und dem Hinterrad ermöglicht. Beim Treten der Pedale überträgt die radfahrende Person Kraft auf die Pedalkurbeln. Die Länge der Pedalkurbel wirkt als Hebelarm und beeinflusst die auf die Kette übertragene Kraft. Diese Kraft wird über die Kette zum Kettenblatt übertragen, dessen Radius die Größe des Zahnrads am vorderen Ende des Fahrrads beschreibt. Die Kraft auf die Kette bewirkt die Drehung des Kettenblatts, was die Vorwärtsbewegung des Fahrrads antreibt.

    Auf der anderen Seite des Fahrrads befindet sich das Hinterrad, das mit einem oder mehreren Zahnrädern, den Ritzeln, ausgestattet ist. Diese Ritzel haben jeweils einen bestimmten Radius. Die Kraft, die von der Kette auf das Ritzel übertragen wird, bewirkt die Drehung des Hinterrads. Der Radradius beschreibt den Abstand vom Mittelpunkt des Hinterrads zum Ort, an dem die Kette das Hinterrad antreibt. Diese Drehung des Hinterrads überträgt schließlich die Kraft auf die Straße, was die Fortbewegung des Fahrrads ermöglicht.

  • Stelle einen Zusammenhang zwischen der Kraftübertragung bei Pedal und Hinterrad her.

    Tipps

    Durch die Gleichheit der Drehmomente entsteht am hinteren Rad folgende Gleichung:

    $F_2=\dfrac{F_{\text{Rad}}\cdot R}{r_2}$

    Durch die Gleichheit der Drehmomente bei den Pedalen ergibt sich diese Gleichung:

    $F_1=\dfrac{F_\text{K}\cdot r}{r_1}$

    Lösung

    Durch die Gleichheit der Drehmomente an den Pedalen und dem Hinterrad ergeben sich folgende Gleichungen:

    $F_1=\dfrac{F_{K}\cdot r}{r_1}$ und $F_2=\dfrac{F_{Rad}\cdot R}{r_2}$

    Durch die Bewegung der Kette ist die Kraftwirkung am Kettenblatt $F_1$ und am Ritzel $F_2$ gleich. Mit diesem Ansatz lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Kraftwirkung am Rad $F_{\text{Rad}}$ und am Pedal $F_{\text{K}}$ herleiten:

    $F_2=F_1$

    $\Leftrightarrow \dfrac{F_{\text{Rad}}\cdot R}{r_2}=\dfrac{F_{\text{K}}\cdot r}{r_1}~~~~~~~~~~~~~~~~|\cdot \dfrac{r_2}{R}$

    $\Leftrightarrow F_{\text{Rad}}\cdot\dfrac{R}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_2}=F_{\text{K}}\cdot\dfrac{r}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_1}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}}=F_{\text{K}}\cdot\dfrac{r}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_1}$

  • Berechne die Umdrehungszahl des Rads $N_2$ und die Kraft des Rads auf die Straße $F_{Rad}$.

    Tipps

    Die Umdrehungszahl des Rads berechnet sich mit:

    $N_2=\dfrac{N_1\cdot r_1}{r_2}$

    Die Kraft des Rads auf die Straße berechnet sich mit:

    $F_{\text{Rad}}=F_{\text{K}} \cdot \dfrac{r}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_1}$

    Lösung

    Folgende Größen sind in der Aufgabe gegeben:

    • $r=17~\text{cm}$
    • $R=34~\text{cm}$
    • $N_1=8$
    • $400~\text{N}$
    • für den 4. Gang: $~ r_1=3~\text{cm}$ und $r_2=6~\text{cm}$
    • für den 18. Gang: $~ r_1=9~\text{cm}$ und $r_2=1~\text{cm}$

    Gesucht sind $N_2$ und $F_{Rad}$.


    Umdrehungszahl des Rads:

    4. Gang:

    $N_2=\dfrac{N_1\cdot r_1}{r_2}$

    $\Rightarrow N_2=\dfrac{8\cdot 3~\text{cm}}{6~\text{cm}}$

    $\Rightarrow N_2= 4 =\dfrac{1}{2}\cdot N_1$

    18. Gang:

    $N_2=\dfrac{N_1\cdot r_1}{r_2}$

    $\Rightarrow N_2=\dfrac{8\cdot 9~\text{cm}}{1~\text{cm}}$

    $\Rightarrow N_2= 72 =9\cdot N_1$


    Kraft des Rads auf die Straße:

    4. Gang:

    $F_{\text{Rad}}=F_K\cdot\dfrac{r}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_1}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}}=400~\text{N}\cdot\dfrac{17~\text{cm}}{34~\text{cm}}\cdot\dfrac{6~\text{cm}}{3~\text{cm}}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}}=400~\text{N}$

    18. Gang:

    $F_{\text{Rad}}=F_K\cdot\dfrac{r}{R}\cdot\dfrac{r_2}{r_1}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}}=400~\text{N}\cdot\dfrac{17~\text{cm}}{34~\text{cm}}\cdot\dfrac{1~\text{cm}}{9~\text{cm}}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}} \approx 22{,}22~\text{N}$

  • Stelle die Verhältnisse von Kettenblatt und Ritzel bei niedrigem bzw. hohem Gang dar.

    Tipps

    Ein niedriger Gang wird durch ein kleines Kettenblatt vorn gebildet.

    Ein hoher Gang wird durch ein kleines Ritzel hinten gebildet.

    Lösung

    Bei einem Fahrrad unterscheidet man zwischen verschiedenen Gängen, die durch die Kombination von Kettenblatt vorn und Ritzel hinten bestimmt werden. Der Gang eines Fahrrads wird durch das Verhältnis zwischen der Größe des Kettenblatts vorn und dem Ritzel hinten definiert.

    Ein niedriger Gang, auch bekannt als „leichter Gang“ oder „Klettergang“, wird durch ein kleines Kettenblatt vorn und ein großes Ritzel hinten definiert. In dieser Konfiguration hat das Fahrrad eine niedrige Übersetzung. Das bedeutet, dass pro Umdrehung der Pedale das Hinterrad nur eine geringe Distanz zurücklegt. Dies erleichtert das Treten der Pedale und eignet sich besonders für das Bewältigen von Steigungen oder das Fahren in schwierigem Gelände. Der niedrige Gang ermöglicht es der radfahrenden Person, mehr Kraft auf die Pedale auszuüben, um das Fahrrad effizienter zu bewegen – selbst wenn das mit einer geringeren Geschwindigkeit einhergeht.

    Ein hoher Gang, auch bekannt als „schwerer Gang“ oder „Schnellgang“, wird hingegen durch ein großes Kettenblatt vorn und ein kleines Ritzel hinten bestimmt. In dieser Konfiguration hat das Fahrrad eine hohe Übersetzung. Das bedeutet, dass pro Umdrehung der Pedale das Hinterrad eine größere Distanz zurücklegt. Dies ermöglicht der Person, bei höheren Geschwindigkeiten zu fahren, da weniger Pedalkraft erforderlich ist, um das Fahrrad voranzutreiben. Der hohe Gang eignet sich besonders für das Fahren auf flachem Terrain oder für schnelle Fahrten auf der Straße.

  • Berechne die Anzahl der Umdrehungen des Rads $N_2$ und die Kraft $F_{\text{Rad}}$, mit der das Rad auf die Straße wirkt.

    Tipps

    Gegeben sind:

    • Kurbellänge: $r=20~\text{cm}$
    • Radradius: $R=40~\text{cm}$
    • Anzahl der Tritte: $N_1=6$
    • maximal ausgeübte Kraft: $F_{\text{K}}=300~\text{N}$

    Außerdem gilt für den fünften Gang:

    • Kettenblattradius: $r_1=4~\text{cm}$
    • Ritzelradius: $r_2=8~\text{cm}$

    Für den 14. Gang gilt dann:

    • Kettenblattradius: $r_1=12~\text{cm}$
    • Ritzelradius: $r_2=2~\text{cm}$

    Gesucht sind:

    • Umdrehungszahl des Rads: $N_2$
    • Kraft des Rads auf die Straße: $F_{\text{Rad}}$

    Die Umdrehungszahl des Rads berechnest du mit:

    $N_2 = \dfrac{N_1 \cdot r_1}{r_2}$

    Die Kraft des Rads auf die Straße berechnest du mit:

    $F_{\text{Rad}} = F_{\text{K}} \cdot \dfrac{r}{R} \cdot \dfrac{r_2}{r_1}$

    Lösung

    Gegeben sind:

    • Kurbellänge: $r=20~\text{cm}$
    • Radradius: $R=40~\text{cm}$
    • Anzahl der Tritte: $N_1=6$
    • maximal ausgeübte Kraft: $F_{\text{K}}=300~\text{N}$

    Außerdem gilt für den fünften Gang:

    • Kettenblattradius: $r_1=4~\text{cm}$
    • Ritzelradius: $r_2=8~\text{cm}$

    Für den 14. Gang gilt dann:

    • Kettenblattradius: $r_1=12~\text{cm}$
    • Ritzelradius: $r_2=2~\text{cm}$

    Gesucht sind:

    • Umdrehungszahl des Rads: $N_2$
    • Kraft des Rads auf die Straße: $F_{\text{Rad}}$

    Umdrehungszahl des Rads:

    Im 5. Gang:

    $N_2 = \dfrac{N_1 \cdot r_1}{r_2}$

    $\Rightarrow N_2 = \dfrac{6 \cdot 4~\text{cm}}{8~\text{cm}}$

    $\Rightarrow N_2 = 3$

    Im 14. Gang:

    $N_2 = \dfrac{N_1 \cdot r_1}{r_2}$

    $\Rightarrow N_2 = \dfrac{6 \cdot 12~\text{cm}}{2~\text{cm}}$

    $\Rightarrow N_2 = 36$


    Kraft des Rads auf die Straße:

    Im 5. Gang:

    $F_{\text{Rad}} = F_{\text{K}} \cdot \dfrac{r}{R} \cdot \dfrac{r_2}{r_1}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}} = 300~\text{N} \cdot \dfrac{20~\text{cm}}{40~\text{cm}} \cdot \dfrac{8~\text{cm}}{4~\text{cm}}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}} = 300~\text{N}$

    Im 14. Gang:

    $F_{\text{Rad}} = F_{\text{K}} \cdot \dfrac{r}{R} \cdot \dfrac{r_2}{r_1}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}} = 300~\text{N} \cdot \dfrac{20~\text{cm}}{40~\text{cm}} \cdot \dfrac{2~\text{cm}}{12~\text{cm}}$

    $\Rightarrow F_{\text{Rad}} = 25~\text{N}$

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