tec-science
Lerneinheit 1

Was ist Geschwindigkeit?

Input

Bewegung

Als Kinematik bezeichnet man die Lehre von Bewegungen. Ein Körper bewegt sich, wenn er seine Position zeitlich ändert. Ein Auto zum Beispiel ändert während der Fahrt ständig seine Position – es bewegt sich. Muss das Auto hingegen an einer roten Ampel anhalten, ändert sich seine Position nicht, und folglich findet auch keine Bewegung statt.

MerkeUnter der Bewegung eines Körpers versteht man seine zeitliche Ortsänderung.
Ergänzung – Bewegung ist relativ Ob sich etwas bewegt, hängt davon ab, worauf man sich bezieht (Bezugssystem). Der Beifahrer in einem fahrenden Auto ruht relativ zum Auto, bewegt sich aber relativ zur Straße. Deshalb legt man in der Physik immer fest, von wo aus eine Bewegung beschrieben wird – meist von einem Punkt, der fest mit dem Boden verbunden ist (z. B. einem Ortsschild).

Geschwindigkeit

Um zeitliche Ortsänderungen zu charakterisieren, wird der Begriff Geschwindigkeit eingeführt. Die Geschwindigkeit gibt Aufschluss darüber, wie „schnell“ diese Ortsänderung abläuft. Ändert ein Körper seine Position innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts sehr stark, besitzt er eine hohe Geschwindigkeit. Fällt die Positionsänderung in dieser Zeit nur gering aus, besitzt er nur eine geringe Geschwindigkeit.

Die Geschwindigkeit kann somit als Eigenschaft eines Körpers verstanden werden, seine Position bzw. seinen Ort mehr oder weniger stark zu ändern. Die Geschwindigkeit ist also ein Maß für die Stärke einer Bewegung. Mathematisch wird die Geschwindigkeit v eines Körpers als Positionsänderung Δs innerhalb des hierfür benötigten Zeitabschnitts Δt ausgedrückt:

v ≔ ΔsΔt = s2 − s1t2 − t1     [v] = ms(1.1)

Das Symbol Δ („Delta“) drückt in der Physik immer eine Differenz bzw. Änderung aus: Δs = s2 − s1 ist die Positionsänderung zwischen zwei Zeitpunkten, Δt = t2 − t1 die dafür benötigte Zeit. Es wird also immer Endwert minus Anfangswert gerechnet.

Anschaulich Eine Geschwindigkeit von 5 m/s bedeutet, dass der Körper seine Position pro Sekunde um 5 m ändert. Startet er zum Beispiel bei 100 m, befindet er sich nach 1 Sekunde an der Position 105 m und nach einer weiteren Sekunde an der Position 110 m usw.

Einheiten der Geschwindigkeit

Die Einheit der Geschwindigkeit ist m/s (Meter pro Sekunde). Oft wird die Geschwindigkeit auch in der Einheit km/h (Kilometer pro Stunde) angegeben. Der Umrechnungsfaktor zwischen dem Geschwindigkeitswert in m/s und in km/h beträgt 3,6:

1 ms = 1 m1 s = 0,001 km13600 h = 3,6 kmh
Merke – Umrechnen km/h → m/s: durch 3,6 teilen  (72 km/h : 3,6 = 20 m/s)
m/s → km/h: mit 3,6 multiplizieren  (10 m/s · 3,6 = 36 km/h)
Eselsbrücke: Der Zahlenwert in km/h ist immer der größere.

Weitere Einheiten, die in Aufgaben vorkommen:

EinheitUmrechnungVerwendung
Knoten (kn)1 kn = 1,852 km/h ≈ 0,514 m/sSchifffahrt, Luftfahrt
km/s1 km/s = 1000 m/s = 3600 km/hLicht, Raumfahrt

Zeiten umrechnen ist genauso wichtig: 1 h = 60 min = 3600 s;  1 min = 60 s;  20 min = 2060 h = 13 h;  2 min 30 s = 150 s = 2,5 min.

Typische Geschwindigkeiten

Ein gutes Gefühl für Geschwindigkeiten hilft, Ergebnisse auf Plausibilität zu prüfen. Schätze zuerst selbst:

Tabelle: typische Geschwindigkeiten
Bewegungin km/hin m/s
Fußgänger5≈ 1,4
Radfahrer20≈ 5,6
Auto innerorts50≈ 14
Auto auf der Autobahn130≈ 36
ICE300≈ 83
Verkehrsflugzeug≈ 900≈ 250
Schall in Luft≈ 1224≈ 340
Licht≈ 1 080 000 000≈ 300 000 000 (= 300 000 km/s)

Formel umstellen

Aus v = Δs/Δt erhält man durch Umstellen die beiden anderen Größen:

v = ΔsΔt    ⇔    Δs = v · Δt    ⇔    Δt = Δsv
Musterbeispiel Ein Zug fährt 90 km in 45 min. Wie groß ist seine Geschwindigkeit?
Gegeben: Δs = 90 km, Δt = 45 min = 0,75 h   Gesucht: v
Lösung: v = Δs/Δt = 90 km / 0,75 h = 120 km/h = 120 : 3,6 m/s ≈ 33,3 m/s
Plausibel? Ja – ein Regionalzug fährt etwa so schnell.

Mehrere Abschnitte: die Durchschnittsgeschwindigkeit

Besteht eine Fahrt aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (oder Pausen), rechnet man für die ganze Fahrt mit der gesamten Strecke und der gesamten Zeit:

v̄ = sgestges = Δs1 + Δs2 + …Δt1 + Δt2 + …
Achtung Pausen zählen zur Gesamtzeit dazu (Δs = 0, aber Δt > 0). Und: Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist nicht der Mittelwert der einzelnen Geschwindigkeiten!
Beispiel 30 km mit 60 km/h (dauert 0,5 h), danach 30 km mit 30 km/h (dauert 1 h):
v̄ = 60 km / 1,5 h = 40 km/h – und nicht (60 + 30)/2 = 45 km/h. Der langsame Abschnitt dauert länger und zählt deshalb stärker.
Ausblick Was passiert, wenn sich ein Körper in etwas bewegt, das sich selbst bewegt – ein Boot im Fluss, eine Person auf einem Laufband, ein Flugzeug im Wind? Dann überlagern sich Geschwindigkeiten. Das lernst du ausführlich in Lerneinheit 5.

Geschwindigkeit als „Änderung pro Zeit“

Das Prinzip „Menge pro Zeit“ gilt nicht nur für Wege. Auch eine Pumpe hat eine „Füllgeschwindigkeit“ (z. B. 140 Becken pro Minute) und eine Maschine eine „Arbeitsgeschwindigkeit“ (z. B. 0,08 Teile pro Sekunde). Arbeiten mehrere gleichzeitig, addieren sich ihre Geschwindigkeiten; die benötigte Zeit ist dann t = Menge / Gesamtgeschwindigkeit.

Rechenstrategie 1. Gegebene und gesuchte Größen notieren.  2. Einheiten passend machen (alles in m und s oder alles in km und h).  3. Formel v = Δs/Δt ggf. umstellen.  4. Einsetzen, rechnen, Ergebnis mit Einheit angeben.  5. Ergebnis auf Plausibilität prüfen.
Aufgaben zu dieser Lerneinheit
Los geht’s: Aufgabe 1.1 →