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Drehimpuls und Drehimpulserhaltung

Warum dreht sich eine Eiskunstläuferin schneller, wenn sie die Arme einzieht? Untersuche den Zusammenhang zwischen Massenverteilung und Winkelgeschwindigkeit.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Finde heraus, was du schon kannst

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Nur die Zahl in kg·m²/s eingeben.

Nur die Zahl in kg·m² eingeben.

Nur die Zahl in J eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. 6 – L = 2 · 3 = 6 kg·m²/s.
  2. 0,08 – I = 2 · 1 · 0,2² = 0,08 kg·m².
  3. 9 – Erot = 6²/(2 · 2) = 9 J.

Direkt mit der Erklärung beginnen →

Lernschritt 1

Die Erhaltungsgröße der Drehbewegung

Bei einer geradlinigen Bewegung ist der Impuls eine wichtige Größe. Für die Drehbewegung ist es der Drehimpuls L. Für die hier betrachtete Rotation um eine feste Symmetrieachse gilt:

L = I · ω

I beschreibt die Massenverteilung um die Achse; ω ist die Winkelgeschwindigkeit im Bogenmaß pro Sekunde. Die Einheit von L ist kg·m²·s−1. Ein größerer Drehimpuls kann durch größeres I, größere Winkelgeschwindigkeit oder beides entstehen.

Allgemein ist der Drehimpuls ein Vektor. Auf dieser Seite betrachten wir seine Komponente entlang derselben festen Achse. Positive und negative Werte stehen für entgegengesetzte Drehrichtungen.

Lernschritt 2

Wann bleibt der Drehimpuls erhalten?

Maußen = dLdt

Maußen = 0 → L = konstant

I₁ω₁ = I₂ω₂

Die Bedingung betrifft das resultierende äußere Drehmoment bezüglich der gewählten Achse. Innere Kräfte dürfen die Massenverteilung verändern. Sie ändern den Gesamtdrehimpuls des betrachteten Systems dabei nicht.

Beispiel Eiskunstlauf: Beim Einziehen der Arme rückt Masse näher an die Drehachse. I wird kleiner, deshalb muss ω größer werden. Reibung am Eis oder Luftwiderstand können in der Wirklichkeit äußere Drehmomente verursachen. Über kurze Zeiten ist die Erhaltung oft eine gute Näherung.

Lernschritt 3

Massen nach innen verschieben

Zwei kleine Massen von je 1 kg sitzen symmetrisch auf einer ideal leichten Führung. Beide Abstände r sind gleich. Bei r₀ = 0,50 m beginnt die Drehung mit ω₀ = 2 rad·s−1. Das ergibt L = 1 kg·m²·s−1.

r = 0,50 m: I = 0,50 kg·m²; ω = 2,00 rad·s⁻¹; Rotationsenergie = 1,00 J.
Achse

Beide Massen bleiben jeweils 1 kg schwer. Nur ihre Abstände zur Achse ändern sich.

Gestrichelt: Anfangsabstand r₀ = 0,50 m. Die feste Skala macht die Verschiebung sichtbar.

Aktuell: r = 0,50 m
Gesamtdrehimpuls: L = 1 kg·m²/s.

Die Führung hat im Modell kein eigenes Trägheitsmoment. Der Regler vergleicht Zustände nach dem Verschieben; er zeigt keinen zeitlichen Bewegungsablauf.

Unterrichtsimpuls mit Erklärung

Vergleiche r = 0,50 m und r = 0,25 m. Durch den halben Abstand sinkt I auf ein Viertel. Die Winkelgeschwindigkeit vervierfacht sich. Der Drehimpuls bleibt gleich, die Rotationsenergie steigt jedoch von 1 J auf 4 J. Überlegt, woher diese zusätzliche Energie kommt: Das Einziehen erfordert Arbeit.

Lernschritt 4

Das Zweimassenmodell rechnen

I = 2mr²

ω = LI = L2mr²

Die Abhängigkeit vom Quadrat des Abstands macht den Effekt besonders deutlich. Bei gleicher Masse und festem Drehimpuls bedeutet halber Radius die vierfache Winkelgeschwindigkeit. Die Masse selbst wird beim Einziehen nicht kleiner.

Ein echter Mensch ist kein Paar Punktmassen: Rumpf, Arme und Beine tragen unterschiedlich zu I bei. Deshalb darf der Faktor vier bei halbiertem Armabstand nicht pauschal auf eine Person übertragen werden.

Beispiel · Schritt für Schritt

Was bewirkt der halbe Abstand?

Zwei kleine Massen von je 1 kg rotieren an einer ideal leichten Führung. Beide Abstände ändern sich von 0,50 m auf 0,25 m.

Gegeben: ω₁ = 2,0 rad/s; äußeres Drehmoment null · Gesucht: I₁, I₂ und ω₂

Rechenweg: Was bewirkt der halbe Abstand?
Rechnung Erklärung zum Schritt
I₁ = 2mr₁² = 2 · 1 · 0,50² = 0,50 kg·m²
1Das Trägheitsmoment beider Massen addieren

Der Faktor 2 zählt die beiden gleich weit entfernten Massen.

L = I₁ω₁ = 0,50 · 2,0 = 1,00 kg·m²/s
2Den erhaltenen Drehimpuls berechnen

Das ganze System aus beiden Massen und Führung wird betrachtet.

I₂ = 2 · 1 · 0,25² = 0,125 kg·m²
3Mit dem neuen Abstand erneut rechnen

Halber Abstand bedeutet wegen r² nur ein Viertel des ursprünglichen I.

ω₂ = L/I₂ = 1,00 / 0,125 = 8,00 rad/s
4Die neue Winkelgeschwindigkeit bestimmen

Der Drehimpuls bleibt 1,00 kg·m²/s; die Winkelgeschwindigkeit muss viermal so groß werden.

Ergebnis: Der halbe Abstand führt in diesem Zweimassenmodell zur vierfachen Winkelgeschwindigkeit.

Lernschritt 5

Eine rotierende Person zieht die Arme ein

Beispiel · Schritt für Schritt

Eine Person zieht auf dem Drehschemel die Arme ein

Das gesamte Trägheitsmoment von Person und mitdrehenden Teilen sinkt von 4,0 auf 2,0 kg·m². Anfangs gilt ω₁ = 1,5 rad/s.

Äußere Drehmomente werden vernachlässigt · Gesucht: ω₂

Rechenweg: Eine Person zieht auf dem Drehschemel die Arme ein
Rechnung Erklärung zum Schritt
L₁ = I₁ω₁ = 4,0 · 1,5 = 6,0 kg·m²/s
1Den Anfangsdrehimpuls bestimmen

Verwende das Trägheitsmoment des gesamten betrachteten Systems.

I₁ω₁ = I₂ω₂
2Die Erhaltungsbedingung anwenden

Die Muskeln dürfen die Massenverteilung verändern. Ohne äußeres Drehmoment bleibt der Gesamtdrehimpuls gleich.

ω₂ = I₁ω₁I₂ = 6,0 kg·m²/s2,0 kg·m² = 3,0 rad/s
3Nach der Endgeschwindigkeit auflösen

I halbiert sich. Daher verdoppelt sich ω.

L₂ = 2,0 · 3,0 = 6,0 kg·m²/s
4Den Drehimpuls nachher prüfen

Der Kontrollwert entspricht L₁.

Ergebnis: Die Winkelgeschwindigkeit steigt von 1,5 auf 3,0 rad/s.
Wie viele Umdrehungen sind das?

Beispiel · Schritt für Schritt

Bogenmaß in Umdrehungen pro Minute umrechnen

Nach dem Einziehen gilt ω = 3,0 rad/s.

Gesucht: Drehfrequenz f und Umdrehungen pro Minute

Rechenweg: Bogenmaß in Umdrehungen pro Minute umrechnen
Rechnung Erklärung zum Schritt
f = ω/(2π)
1Durch den Winkel einer vollen Umdrehung teilen

2π rad entsprechen einer Umdrehung.

f = 3,0/(2π) Hz ≈ 0,477 Hz
2Umdrehungen pro Sekunde berechnen

3 rad/s sind nicht 3 Umdrehungen pro Sekunde.

n ≈ 0,477 · 60 = 28,6 U/min
3Sekunden auf Minuten umrechnen

Vorher waren es bei 1,5 rad/s etwa 14,3 U/min.

Ergebnis: 3,0 rad/s entsprechen etwa 28,6 Umdrehungen pro Minute.

Lernschritt 6

Warum bleibt die Rotationsenergie nicht gleich?

Drehimpulserhaltung bedeutet nicht, dass auch die Rotationsenergie unverändert bleibt. Für die betrachtete Rotation gilt:

Erot = ½Iω² = L²2I

Bei konstantem L führt ein kleineres I zu größerer Rotationsenergie. Die zusätzliche Energie kommt aus der Arbeit beim Einziehen, etwa aus chemischer Energie der Muskulatur.

Beispiel · Schritt für Schritt

Die zusätzliche Rotationsenergie berechnen

Nutze die Werte der Person auf dem Drehschemel: vorher I₁ = 4,0 kg·m², ω₁ = 1,5 rad/s; nachher I₂ = 2,0 kg·m², ω₂ = 3,0 rad/s.

Gesucht: E₁, E₂ und Zunahme ΔE

Rechenweg: Die zusätzliche Rotationsenergie berechnen
Rechnung Erklärung zum Schritt
E₁ = ½ · 4,0 · 1,5² J = 4,5 J
1Den Anfangszustand berechnen

Die Winkelgeschwindigkeit wird quadriert.

E₂ = ½ · 2,0 · 3,0² J = 9,0 J
2Den Endzustand berechnen

Obwohl I kleiner ist, überwiegt die Zunahme von ω².

ΔE = E₂ − E₁ = 9,0 J − 4,5 J = 4,5 J
3Die Energiezunahme bestimmen

Im idealisierten verlustfreien Vergleich entspricht dies der Arbeit, die der Rotation durch das Einziehen zugeführt wird.

Ergebnis: Die Rotationsenergie nimmt um 4,5 J zu. Die Gesamtenergie bleibt erhalten; Energie wird innerhalb des Systems umgewandelt.
Was passiert während des Einziehens?

Der Regler vergleicht Zustände, in denen die Massen nicht mehr radial wandern. Während des Verschiebens kann zusätzlich radiale Bewegungsenergie vorhanden sein. Beim Ausstrecken kann die Rotationsenergie wieder abnehmen. Ein äußeres Drehmoment von null bedeutet nicht, dass im Inneren keine Arbeit verrichtet wird.

Lernschritt 7

Systemgrenzen im Blick behalten

Eine Person auf einem Drehschemel mit Gewichten ist ein mögliches Demonstrationsmodell. Zum betrachteten System gehören Person, Gewichte und die mitdrehenden Teile. Die Achse und mögliche Reibungsmomente müssen bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Bei allgemeiner räumlicher Rotation sind Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit nicht immer parallel. Die einfache Beziehung L = Iω genügt hier wegen der gewählten symmetrischen Anordnung um eine feste Achse.

Wenn ein äußeres Bremsmoment wirkt

Beispiel · Schritt für Schritt

Drehimpulsänderung beim Abbremsen

Ein System hat zunächst L₁ = 6,0 kg·m²/s. Ein konstantes äußeres Drehmoment von −0,50 N·m wirkt 4,0 s entgegen der Drehung.

Gegeben: konstantes I = 2,0 kg·m² · Gesucht: L₂ und ω₂

Rechenweg: Drehimpulsänderung beim Abbremsen
Rechnung Erklärung zum Schritt
ΔL = Maußen · Δt
ΔL = −0,50 · 4,0 = −2,0 kg·m²/s
1Den äußeren Drehimpulsübertrag berechnen

Hier ist L nicht erhalten. Die einfache Zeitformel gilt wegen des konstanten Drehmoments.

L₂ = L₁ + ΔL = 6,0 − 2,0 = 4,0 kg·m²/s
2Die Änderung zum Anfangswert addieren

Das negative Bremsmoment verringert den weiterhin positiven Drehimpuls.

ω₂ = L₂/I = 4,0 / 2,0 = 2,0 rad/s
3In die neue Winkelgeschwindigkeit übersetzen

Bei konstantem I wird die Drehung langsamer.

Ergebnis: Nach 4 s bleiben 4,0 kg·m²/s Drehimpuls und 2,0 rad/s Winkelgeschwindigkeit.

Lernschritt 8

Typische Fehler vermeiden

Drehimpuls mit Winkelgeschwindigkeit gleichsetzen: Auch I gehört dazu.

Konstantes L bedeutet konstante Rotationsenergie: Bei verändertem I stimmt das nicht.

Nur einen einzelnen Teil des Systems betrachten: Innere Impulsübertragungen können seinen Drehimpuls ändern.

Äußere Kräfte pauschal verbieten: Entscheidend ist ihr resultierendes Drehmoment um die betrachtete Achse.

Selbst ausprobieren

Üben & prüfen

Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.

Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Nur die Zahl in kg·m²/s eingeben.

Nur die Zahl in kg·m² eingeben.

Nur die Zahl in J eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. 30 – L = 10 · 3 = 30 kg·m²/s.
  2. 2 – I = 2 · 1 · 1² = 2 kg·m².
  3. 45 – Erot = 30²/(2 · 10) = 45 J.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Eigene Werte einsetzenMit dem Physikhelfer

Physikhelfer

Eigene Werte einsetzen

Rechne mit Drehimpuls, Trägheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit um eine feste Hauptträgheitsachse. Mehrere gekoppelte Körper sind nicht enthalten. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.

Passende Aufgabe öffnen →

Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.

Lieber auf Papier? 6 Aufgaben mit aufklappbaren Lösungen

Auf Papier üben

Erst vorhersagen oder selbst rechnen, dann die Lösung öffnen.

1 · I = 3 kg·m² und ω = 2 rad·s⁻¹: Wie groß ist L?

Lösung ansehen

6 kg·m²·s⁻¹.

2 · I halbiert sich bei konstantem L. Was passiert mit ω?

Lösung ansehen

ω verdoppelt sich.

3 · Zwei Punktmassen halbieren ihren Abstand zur Achse. Wie ändert sich I?

Lösung ansehen

I sinkt auf ein Viertel.

4 · I halbiert sich bei konstantem L. Was passiert mit Erot?

Lösung ansehen

Die Rotationsenergie verdoppelt sich.

5 · Woher stammt die zusätzliche Rotationsenergie beim Einziehen der Arme?

Lösung ansehen

Aus der geleisteten Arbeit, bei einer Person aus der Umwandlung chemischer Energie durch die Muskulatur.

6 · Eine bremsende Lagerreibung wirkt. Ist L dann exakt konstant?

Lösung ansehen

Nein. Die Reibung übt ein äußeres Drehmoment auf das betrachtete rotierende System aus.

Fachlicher Abgleich der Grundgleichungen: OpenStax · University Physics.

Dein nächster Lernschritt

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