Kreisbewegung-Rechner

Berechnen Sie die Zentripetalbeschleunigung a = v²/r, die Zentripetalkraft F = mv²/r, die Periodendauer T und die Winkelgeschwindigkeit ω für jede Kreisbewegung.

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Kreisbewegung verstehen

Eine gleichförmige Kreisbewegung liegt vor, wenn sich ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn bewegt. Obwohl die Geschwindigkeit gleich bleibt, ändert sich die Richtung ständig — das bedeutet, dass das Objekt immer beschleunigt wird. Diese Zentripetalbeschleunigung zeigt immer zum Mittelpunkt des Kreises.

a_c = v²/r
Zentripetalbeschleunigung
F_c = mv²/r
Zentripetalkraft
v = ωr
Geschwindigkeit–Winkelgeschwindigkeit

Zentripetalkraft vs. Zentrifugalkraft

Die Zentripetalkraft ist die nach innen gerichtete Nettokraft, die erforderlich ist, um die Kreisbewegung aufrechtzuerhalten. Sie ist eine reale Kraft, die durch Schwerkraft, Spannung, Reibung oder eine Normalkraft bereitgestellt wird.

Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive (Schein-)Kraft, die in einem rotierenden Bezugssystem auftritt. Ein Beobachter im rotierenden System "fühlt" sich nach außen gedrückt, aber dies ist nur die Trägheit — es gibt keine nach außen gerichtete Kraft in einem Inertialsystem.

Eigenschaft Zentripetal Zentrifugal
Richtung Nach innen (zum Zentrum) Nach außen (vom Zentrum weg)
Realität Reale Kraft Fiktive (Schein-)Kraft
Bezugssystem Inertialsystem Rotierendes Bezugssystem

Periode, Frequenz & Winkelgeschwindigkeit

Drei Größen beschreiben, wie schnell die Rotation abläuft. Sie sind alle miteinander verbunden:

T = 1/f = 2π/ω   |   ω = 2πf = 2π/T   |   v = ωr = 2πr/T

T — Periode (s)

Zeit für eine volle Umdrehung. Die Periode der Erde um die Sonne ≈ 3,156 × 10⁷ s (1 Jahr).

f — Frequenz (Hz)

Umdrehungen pro Sekunde. Ein 3000 U/min Motor hat f = 50 Hz und T = 20 ms.

ω — Winkelgeschwindigkeit (rad/s)

Überstrichene Radiant pro Sekunde. 1 Umdrehung = 2π rad, also ω = 2πf.

Beispiele aus der Praxis

Autos in Kurven

Reibung sorgt für die Zentripetalkraft. Maximale sichere Geschwindigkeit für Radius r: v_max = √(μgr).

Satelliten in der Umlaufbahn

Die Schwerkraft sorgt für die Zentripetalkraft. Für eine kreisförmige Umlaufbahn: v = √(GM/r).

Zentrifugen

Drehen Proben mit hoher ω, um ein großes a_c = ω²r zu erzeugen, wodurch Materialien nach Dichte getrennt werden.

Achterbahn-Loopings

Oben im Looping bilden Schwerkraft + Normalkraft die Zentripetalkraft. Mindestgeschwindigkeit: v = √(gr).

Rechenbeispiele

Beispiel 1 — Zentripetalbeschleunigung der Erde zur Sonne

Gegeben: r = 1,496×10¹¹ m, T = 3,156×10⁷ s
Schritt 1: ω = 2π / T = 2π / 3,156×10⁷ = 1,991×10⁻⁷ rad/s
Schritt 2: a_c = ω²r = (1,991×10⁻⁷)² × 1,496×10¹¹
Antwort: a_c ≈ 5,93×10⁻³ m/s²

Beispiel 2 — Auto in einer Kurve (1500 kg, r = 200 m, v = 80 km/h)

Gegeben: m = 1500 kg, r = 200 m, v = 80/3,6 = 22,22 m/s
a_c: v²/r = 22,22²/200 = 493,1/200 = 2,466 m/s²
F_c: m × a_c = 1500 × 2,466
Antwort: F_c = 3.699 N ≈ 3,7 kN

Häufig gestellte Fragen

Eine gleichförmige Kreisbewegung ist die Bewegung eines Objekts auf einer Kreisbahn mit konstanter Geschwindigkeit. Obwohl die Geschwindigkeit konstant ist, ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit ständig — das bedeutet, das Objekt wird immer zum Mittelpunkt des Kreises hin beschleunigt. Diese nach innen gerichtete Beschleunigung wird Zentripetalbeschleunigung genannt: a_c = v²/r = ω²r.
Die Zentripetalkraft ist eine reale Kraft, die zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtet ist und das Objekt auf einer Kreisbahn hält. Sie wird je nach Situation durch Spannung, Schwerkraft, Reibung oder eine Normalkraft bereitgestellt. Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive (Schein-)Kraft, die ein Objekt in einem rotierenden Bezugssystem scheinbar nach außen drückt. Sie existiert nicht in einem Inertialsystem.
Die Zentripetalkraft ist direkt proportional zur Masse: F_c = mv²/r = mω²r. Verdoppelt man die Masse bei gleicher Geschwindigkeit und gleichem Radius, verdoppelt sich auch die erforderliche Zentripetalkraft. Deshalb benötigen schwerere Autos mehr Reibung, um dieselbe Kurve mit derselben Geschwindigkeit sicher zu durchfahren.