Freier-Fall-Rechner

Fallzeit, Aufprallgeschwindigkeit und Energie beim freien Fall unter Schwerkraft

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Lektion

Die Theorie — Freier-Fall-Rechner

Freier Fall ist eine Bewegung ausschließlich unter dem Einfluss der Gravitation, ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands. Eine konstante Beschleunigung g wirkt während des gesamten Falls, und alle vom Bedienfeld angezeigten Werte ergeben sich aus dieser einzigen Annahme — es werden keine weiteren Kräfte hinzugefügt und keine weggelassen.

Was die einzelnen Symbole bedeuten

h
die Fallhöhe, senkrecht nach unten gemessen. Sie ist die einzige Distanz in dieser Aufgabenstellung: Wie weit sich das Objekt seitlich bewegt und welche Form es hat, spielt keine Rolle.
g
die Fallbeschleunigung in Metern pro Quadratsekunde. Stellt man sie für den Mond auf 1.62 ein, verlängert sich derselbe Fall aus 100 m Höhe von 4.5152 s auf 11.1111 s, wobei das Objekt mit 18 m/s statt 44.2945 m/s auftrifft.
v
die Aufprallgeschwindigkeit im Moment des Auftreffens, kein Mittelwert. Das Objekt war während des gesamten Falls bis zum allerletzten Augenblick langsamer als dieser Wert.
t
die Fallzeit. Sie wächst mit der Quadratwurzel der Höhe, was oft überrascht — die zehnfache Fallhöhe führt nur zur 3.1623-fachen Zeit.

Woher die Formel kommt

  1. Bei konstanter Beschleunigung und einem Start aus dem Ruhestand entspricht die Strecke h = ½gt². Das ist die gesamte Physik; der Rest ist Algebra.
  2. Nach der Zeit aufgelöst ergibt sich: t = √(2h/g). Die Quadratwurzel ist der Grund dafür, dass ein Fall aus der doppelten Höhe nicht doppelt so lange dauert.
  3. Die Geschwindigkeit nach der Zeit t beträgt v = gt. Setzt man die Zeit aus Schritt 2 ein, erhält man v = g·√(2h/g) = √(2gh) — Höhe und Fallbeschleunigung gehen symmetrisch ein, und die Masse kommt in keiner der beiden Zeilen vor.
  4. Die kinetische Energie pro Kilogramm beträgt ½v², und das Quadrieren von √(2gh) ergibt genau g·h. Bei h = 100 und g = 9.81 zeigt die Zeile Kinetische Energie pro kg 981 J/kg an, was 9.81 × 100 entspricht — der angezeigte Wert ist das Produkt der beiden Eingaben und nichts weiter.

So liest du, was du siehst

Ändere die Höhe und beobachte, wie sich die zwei oberen Zeilen gemeinsam, aber nicht synchron verändern: Bei 1000 m dauert der Fall 14.2784 s gegenüber 4.5152 s und führt zu einer Aufprallgeschwindigkeit von 140.0714 m/s gegenüber 44.2945 m/s — beide Werte sind mit 3.1623 multipliziert, da die zehnfache Höhe das √10-fache von allem bedeutet. Viertelt man stattdessen die Höhe, halbiert sich die Geschwindigkeit exakt: 25 m ergeben 22.1472 m/s.

Setzt voraus
Kein Luftwiderstand, ein Start aus dem Ruhestand und eine Fallbeschleunigung, die sich während des Falls nicht ändert. Letzteres ist im Stillen die stärkste Annahme: g nimmt mit der Höhe ab, sodass ein echter 1000-m-Fall nicht mit einem einzigen Wert abläuft wie in dieser Simulation.
Versagt, wenn
Der Luftwiderstand macht die Berechnung als Erstes zunichte, und zwar vollständig statt nur geringfügig. Ein echter Fallschirmspringer hört bei einer Grenzgeschwindigkeit von etwa 55 m/s auf zu beschleunigen, sodass diese Seite den Fall aus 1000 m Höhe mit 140.0714 m/s bereits um mehr als das Doppelte überschätzt. Die Formel enthält keinen Term, der jemals eine Obergrenze erzeugen könnte — v = √(2gh) steigt unbegrenzt an —, sodass der ausgegebene Wert keine leicht optimistische Antwort ist, sondern die Antwort auf eine andere Frage.

Galilei konnte die Fallzeit einer Kugel nicht messen, also verlangsamte er die Schwerkraft 🖖

Ein Fall aus wenigen Metern ist in unter einer Sekunde vorbei, und die beste Uhr um 1600 war ein Wassergefäß auf einer Waage. Also verdünnte Galilei die Schwerkraft, anstatt gegen sie anzukämpfen: Lässt man eine Kugel eine flache geneigte Ebene hinabrollen, wirkt dieselbe konstante Beschleunigung nur mit einem Bruchteil ihrer Stärke und dehnt die Bewegung so weit aus, dass sie von Hand gemessen werden kann. Er fand heraus, dass sich die in aufeinanderfolgenden gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken wie 1, 3, 5, 7 verhielten — die ungeraden Zahlen, deren fortlaufende Summen 1, 4, 9, 16 ergeben, also die Quadratzahlen. Damit war h ∝ t² ganz ohne Stoppuhr bewiesen. Das Gravitationsfeld oben tut in der Software genau dasselbe: Der Wert 1.62 ändert nichts an der Physik, sondern nur das Tempo, in dem sie sich abspielt.

Übung

Prüfe dich selbst

Sage die Antwort zuerst voraus und probiere es dann oben aus. Zeige die Lösung erst, wenn du dich entschieden hast — genau das macht es zur Übung.

  1. Drücke 100-m-Turm (Erde): 4.5152 s, 44.2945 m/s, 981 J/kg. Stelle nun die Fallbeschleunigung auf die 1.62 des Mondes und lass die Höhe unverändert — die Aufprallgeschwindigkeit bricht auf 18 m/s ein. Wie hoch müsste der Fall auf dem Mond sein, um genauso hart aufzuschlagen, und welche Zeile verrät dir, wann du da bist?

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    Ungefähr 605.5 m, sechsmal die Höhe bei einem Sechstel der Schwerkraft. Die entscheidende Zeile ist die dritte: die kinetische Energie pro Kilogramm ist g·h und sonst nichts, also heißt 981 J/kg zu treffen dasselbe wie die Geschwindigkeit zu treffen. Bei 605.5 und 1.62 steht dort 980.91 J/kg und 44.2924 m/s, gegenüber 981 und 44.2945 auf der Erde. Der Fall dauert jetzt 27.341 s statt 4.5152 s — sechsmal so lange, bei gleicher Endgeschwindigkeit, denn schwache Schwerkraft braucht Strecke für das, was starke schnell erledigt.
  2. Ein echter Fallschirmspringer hört bei rund 55 m/s auf, schneller zu werden. Ab welcher Fallhöhe meldet diese Seite eine Geschwindigkeit, die kein fallender Mensch erreicht?

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    Zwischen 154 m und 155 m: 154 ergibt 54.968 m/s, 155 ergibt 55.1462 m/s. Diese Schwelle liegt niedriger, als die meisten vermuten, und alles darüber ist eine Antwort über das Vakuum, nicht über Luft. Danach wächst der Abstand rasch: bei 1000 m meldet die Seite 140.0714 m/s, das Zweieinhalbfache einer Geschwindigkeit, die ein fallender Körper in Luft überhaupt nicht überschreiten kann.

Aufgabe vollständig gelöst

  1. Einen Stein aus 100 m fallen lassen mit g = 9,81 m/s² 5 Schritte

    Lassen Sie einen Stein aus 100 m Höhe mit g = 9,81 m/s² fallen. Bestimmen Sie die Fallzeit, die Aufprallgeschwindigkeit und die Energie pro Kilogramm — ermitteln Sie dann, wo im Fallverlauf die Halbierungspunkte liegen, denn keiner von beiden liegt bei der Hälfte der Zeit.

    1. Der zurückgelegte Weg hängt quadratisch von der Zeit ab; die Höhe mit null gleichzusetzen und aufzulösen ist bereits der gesamte erste Schritt.

    2. Die Geschwindigkeit ist die Ableitung, ausgewertet zu diesem Zeitpunkt. Eine Umrechnung lohnt sich: 159 km/h ist Autobahngeschwindigkeit — aus zehn Stockwerken Höhe.

    3. Das Einsetzen von v² = 2gh in die kinetische Energie lässt sowohl die Masse als auch die Geschwindigkeit verschwinden, sodass nur Fallhöhe und Erdbeschleunigung übrig bleiben. Das ist direkt zurückgegebene potenzielle Energie, weshalb die Zahl glatt 981 beträgt.

    4. Nun zum Verlauf des Falls. Drückt man die Höhe als Bruchteil der Gesamthöhe aus, wird die Zeitabhängigkeit zu einem einfachen Quadrat, und Quadrate sind unerbittlich: Die Hälfte der verstrichenen Zeit bringt erst ein Viertel der Strecke.

    5. Die Luft verändert nicht nur das Tempo, sondern das Ziel. Bei einer Endgeschwindigkeit von 55 m/s ergibt die geschlossene Formel 38,0 m/s — 14 % weniger Geschwindigkeit, aber 26 % weniger Energie, da die Energie quadratisch eingeht; und dies ist die eine Zeile, in der die Masse wieder auftauchen würde.

    Antwort

    4,5152 s, 44,29 m/s und genau 981 J/kg. Dieser letzte Wert ist gh und sonst nichts: Die Masse kürzt sich zweifach heraus, einmal bei der Gewichtskraft und einmal bei der Trägheit, sodass ein Kieselstein und ein Klavier mit derselben Energie pro Kilogramm ankommen. Und der Fall ist ausgesprochen spätlastig — nach der Hälfte der Zeit hat der Stein ein Viertel der Fallstrecke zurückgelegt, und die halbe Höhe erreicht er erst bei 71 % der Zeit. Die Hälfte des Weges legt er in den letzten 29 % der Zeit zurück; deshalb ist ein Sturz, der von oben überlebbar aussieht, es nicht.

Lernpfad

Energie statt Kräfte

Führt zu Achterbahn

Quellen (3)

Beispielaufgaben

  • 100-m-Turm (Erde) - 100 m bei 9.81 m/s² → 4.5152 s und 44.2945 m/s, und die 981 J/kg kinetische Energie sind genau g·h
  • 100-m-Fall (Mond) - Dieselben 100 m bei den 1.62 m/s² des Mondes dauern 11.1111 s und enden bei glatten 18 m/s
  • 1000 m (Erde) - Zehnfache Höhe ergibt 14.2784 s, nicht das Zehnfache von 4.5152: die Fallzeit wächst mit √h, zehnfache Höhe kostet also √10