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da unsere didaktische Einheit für die Implementierung in den Unterricht ausgelegt ist, haben wir uns mit dem Bildungsplan der Grundschulen in NRW auseinandergesetzt und folgende mögliche Bereiche zur Implementierung identifiziert:
Thematisch passt die Einheit in das Fach „Sachunterricht“ und in den dort aufgeführten Bereich 2 „Natur und Leben“. Hier sollen die physikalischen Prozesse der Welt verstanden werden, zu denen unter anderem das Phänomen „Schwerkraft“ gehört.
Außerdem passt die Einheit in den Bereich „Technik und Produktion – Werkzeuge und Materialien“, in dem die Schüler*innen Lösungen für technische Probleme wie beispielsweise Statik, Stabilität, Bewegung und Beschleunigung finden sollen. Dies spiegelt sich im Bau und in der Konstruktion von Kugelbahnen wider; den Schüler*innen wird eine aktive Problemlösung abverlangt, um eine funktionsfähige Kugelbahn zu bauen.

(Quelle: Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen (2012): Richtlinien und Lehrpläne für die Grundschule in Nordrhein-Westfalen)

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(Quelle: Kleine Forscher (2012): Die Erfinderwerkstatt in der Praxis. In: Technik – Bauen und Konstruieren, S. 14-17)

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Kugelbahn bauen (1) – Hauptteil, Lea Sophie Hoefer und Lea Hengst

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Wenn du deine Skizze angefertigt hast, kannst du dir dieses Video ansehen.

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Kugelbahn bauen 1 Hauptteil, Lea Sophie Hoefer, Lea Hengst

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Hier haben wir dir Platz gelassen, um die Fotos oder Videos deiner fertigen Kugelbahn hochzuladen. Wir freuen uns schon auf die Ergebnisse!

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Kugelbahn bauen (1) – Anfang, Lea Sophie Hoefer und Lea Hengst

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Kugelbahn bauen 1 Anfang, Lea Sophie Hoefer, Lea Hengst

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Kugelbahn bauen (1) – Schlussteil, Lea Sophie Hoefer und Lea Hengst

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Nachdem du deine Kugelbahn gebaut und ausprobiert hast, geht es hier weiter.

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Kugelbahn bauen 1 Schlussteil, Lea Sophie Hoefer, Lea Hengst

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Hier geben wir euch nur einige Vorschläge; ihr dürft aber verwenden, was ihr möchtet!

-        Kugel (zum Rollen, z. B.  Murmeln, Erbsen, Flummi…)

-        Toiletten- und Küchenrollen

-        Schere

-        Klebeband und Klebestift

-        Strohhalme

-        Wäscheklammern

-        Becher

-        Pappe und Karton

-        Papier
-       Steine

-        Stifte, Farben und Pinsel

-        Radiergummi

-        leere Dosen (z. B. Pringles, Smarties...)
-       Holzspieße, Zahnstocher

-        (Papp-)Rohre

Und alles, was ihr sonst noch finden und gebrauchen könnt!

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Hallo liebe Schülerinnen und Schüler,
wir haben für euch drei verschiedene Videos erstellt, in denen ihr euch damit beschäftigen könnt, eine Kugelbahn zu bauen, und in denen ihr mehr darüber erfahrt, warum eine Kugel überhaupt rollt.
Das könnt ihr auch selbst zu Hause ausprobieren.

Dieses Projekt besteht aus drei Videos, in denen wir euch begleiten.
Wir wünschen euch viel Spaß beim Ausprobieren!

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Forschendes Lernen beim Kugelbahnbauen – Fachgespräche zur Lernwerkstattarbeit – mit Stefan Bree

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Forschendes Lernen beim Kugelbahn-Bau - Fachgespräche zur Lernwerkstatt- Arbeit - mit Stefan Bree

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Fachgespräche zur Lernwerkstatt- Arbeit:
Forschendes Lernen beim Kugelbahn-Bau
Prof. Dr. Marjan Alemzadeh und Prof. Dr. Stefan Bree

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Einfache Murmelbahn selber basteln – Kugelbahn bauen – Talu.de

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Literatur zur Ideengebung und Umsetzung 

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Literatur zur Ideengebung und Umsetzung 

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Eine Murmelbahn für Kinder regt die Fantasie an und wird meist einige Jahre lang von den Kindern immer wieder hervorgeholt. Wenn Sie eine Murmel- oder Kugelbahn selber basteln, lässt sich das System häufig über die Jahre sogar noch erweitern. Komplizierte An- und Umbauten machen die Murmelbahn so immer wieder spannend und neu.

Eine Murmelbahn aus Eishölzchen oder Holzstücken ist vor allem etwas für exakte Arbeiter. Wenn Sie eine Murmelbahn bauen möchten, bei der es beim Bau nicht so auf Genauigkeit ankommt, sollten Sie die Modelle aus Papprollen nachbauen, die wir Ihnen in der Anleitung zeigen. Diese Kugelbahn lässt sich auch gut mit den Kindern gemeinsam basteln. Viele kleine Arbeiten können die Kinder bereits vorbereiten und die Papprollen fallen im Haushalt ohnehin ständig völlig kostenlos an. So bleiben die Baukosten gering und Sie können gemeinsam ein fantasievolles Bauwerk für die Murmeln selber basteln.

Material und Vorbereitung
Das benötigen Sie:

Schere

Pinsel

Cutter

Schraubendreher

Heißklebepistole

Akkuschrauber

Papprollen (Toilettenpapier / Küchenrolle / Geschenkpapier / Teppichrolle)

Eisstäbchen

Acrylmalfarben

Klebeband bunt

Musterbeutelklammern

durchsichtiges Geschenkpapier

Sprühkleber / Klebestift

große Holzplatte

Karton

Murmeln bunt

Türhaken / Schrauben

aussortiertes Spielzeug

kleine Kästchen / Plastikdosen / Eierbecher / Brillenetuis / Plätzchenformen

Eier- oder Eislöffel

Material suchen und finden
In jedem Haushalt gibt es unzählige Dinge, die nicht mehr benötigt werden. Ob es die alten Plastikeierbecher aus den Siebzigern sind oder bunte Plätzchenformen, die nicht mehr im Einsatz sind, all diese Produkte lassen sich neben buntem Garn, Schleifenband und Geschenkpapier in die Murmelbahn integrieren. Die Auswahl ist wirklich unendlich. Selbst kleine bunte Blumentöpfe aus Plastik oder die früher häufig verwendeten Manschetten für Blumentöpfe lassen sich integrieren. Räumen Sie das Haus auf und Sie haben Zubehör und Dekoartikel für zehn Murmelbahnen.

Kosten und Preise

Bei diesem Projekt ist es ganz klar, dass es sich in jedem Fall lohnt, die Murmelbahn selber zu entwerfen und zu bauen. Von dem Spaß am Basteln einmal ganz abgesehen, kostet eine eigene Murmelbahn, die vorrangig aus Papprollen gebaut wird, kaum etwas.

Sogar eine recht einfache Murmelbahn aus Holz kann im Handel bereits um die 50 Euro kosten. Komplizierte spannende Konstruktionen, die vielleicht auch noch flexibel umsteckbar sind, können bereits 240 Euro kosten. Natürlich gibt es auch sehr günstige Bahnen aus Kunststoff, die deutlich günstiger sind. Allerdings entspricht die Qualität dieser Produkte oft dem geringen Preis. Kinder, die noch in dem Alter sind, in dem sie alles in den Mund nehmen, sollten mit diesen Plastikteilen keinesfalls spielen, da die chemische Zusammensetzung oft mehr als grenzwertig ist.

Dabei ist ein Teil des Spaßes bei einer Murmelbahn der Bau. Gerade gemeinsam mit den Kindern kann der Bastelnachmittag deren Kreativität und Ideenreichtum ganz nachhaltig anregen. Oft kommen die Kinder beim Basteln mit ganz aufregenden Kreationen und anderen ungenutzten Spielsachen, die ebenfalls noch in die Bahn integriert werden können.

Wenn Sie eine große Konstruktion über verschiedene Etagen des Hauses bauen möchten, eignen sich die Papprollen von Teppichen sehr gut. Die können Sie oft kostenlos oder für kleines Geld bei den Teppichhändlern oder im Baumarkt bekommen.

Altersgerechte Murmelbahn

Gekaufte Bahnen haben sehr eingeschränkte Jahresangaben, was das Alter der Kinder angeht. Doch jedes Kind ist anders und hat eine etwas unterschiedliche Entwicklungsstufe. Daher ist es viel schöner, wenn Sie als Eltern diese Einstufung individuell vornehmen können. Wer kennt Ihr Kind schließlich besser? Außerdem wäre es wohl wirklich ärgerlich, wenn Sie eine tolle Murmelbahn haben, das Kind sie aber todlangweilig findet, weil es schon viel weiter ist. Worauf Sie allerdings achten sollten, wenn Sie mit sehr kleinen Kindern basteln und diese später auch ohne Aufsicht mit der Murmelbahn spielen sollen, sind die viel beschworenen verschluckbaren Teile. Aber auch diese Einschätzung können Sie sicher ganz individuell für Ihre eigenen Kinder am besten vornehmen.

Individuelle Murmelbahn an der Tür

Unsere Murmelbahn lässt sich in der Größe auf das Alter beziehungsweise die Höhe Ihres Kindes anpassen. Damit wir ein Spielzeug konstruieren können, das nicht umgestellt werden muss und trotzdem im Kinderzimmer kaum Platz wegnimmt, bauen wir eine vertikale Murmelbahn, die an die Zimmertür oder das Bettende gehängt wird. Wenn Sie eine große freie Wand haben oder sogar das Treppenhaus integrieren können, bleiben Sie in der Größenwahl der Murmelbahn natürlich noch flexibler.

1. Bauplan - grobe Skizze

Der Bauplan muss nur ungefähr die Positionen der einzelnen Papprollen aufweisen und sollte kurz zeigen, welche Wendepunkte in der Murmelbahn geplant sind. Wenn die Kugel zunächst in einen Trichter zum Beispiel fallen soll, um dann in die nächste Reihe geleitet zu werden, sollten Sie das ebenfalls einzeichnen. Das hat den Vorteil, dass Sie die einzelnen Rollen und Haltepunkte bereits vorher komplett vorbereiten können. Dann müssen Sie später nicht auf das Trocknen der Farbe warten. Die gesamte Murmelbahn sollte aber nicht höher sein, als Ihr Kind reichen kann. Es würde nur Frust auslösen, wenn ein Kind das tolle neu gebastelte Spielzeug nicht selbst mit Murmeln oder Kugeln in Gang setzen kann. Hier haben wir unseren Bauplan für Sie bereitgestellt:
Hier klicken: Download des Bauplanes
2. Platte vorbereiten

Für eine kleinere Murmelbahn, die hinten am Bettende oder an einer Kommode angebracht werden soll, benötigen Sie lediglich eine dicke Pappplatte. Soll die Murmelbahn ausgefeilter und größer werden, dann ist eine OSB-Platte die ideale Wahl. Hier kann die Murmelbahn mit der Größe der Kinder sogar mitwachsen und später noch erweitert werden. Die Platte sollte zunächst grundiert werden, dazu eignet sich einfache weiße Acrylfarbe. Anschließend können Sie die Platte entweder mit bunter Klebefolie beziehen oder vielleicht mit Tafelfarbe anstreichen. Darauf lässt sich mit bunter Kreide später ebenfalls immer wieder etwas verändern. Statt der Tafelfarbe gibt es im Baumarkt auch eine schwarze oder grüne Folie, die den gleichen Zweck erfüllt.

Tipp: Malen Sie kleine Blümchen oder Fische und andere bunte Elemente auf die Platte. So wird die Platte noch interessanter und spannender für die Kleinen. Wenn Sie eine besonders verschlungene Konstruktion von Pappröhren planen, können Sie Ihre Zeichnung jetzt auf die Platte übertragen, um die Anordnung der Rollen später besser sehen zu können.

Ideal ist es, wenn Sie die gängigen Kleiderhaken für Türen verwenden und in diese Haken die Platte oder den Karton einhängen. So lässt sich die Platte später auch für Veränderungen und Erweiterungen ganz einfach abhängen. Außerdem müssen Sie die Tür so nicht beschädigen, das sehen weder Vermieter noch Väter sehr gern.

Tipp: Auf die Platte können Sie zusätzlich Geschenkband oder bunte Wollreste aufkleben. Das geht mit der Heißklebepistole unsichtbar und schnell. Einen bunten Strumpf können Sie als Murmelbeutel ebenfalls an der Platte ankleben oder anschrauben. So bleiben die Murmeln in Reichweite und die Wand wird noch bunter.

3. Rollen bemalen und befestigen

Bunt sollte es sein und abwechslungsreich. Streichen Sie die Papprollen in verschiedenen knalligen Farbtönen an. Dafür eignen sich Acrylfarben in Tuben aus dem Baumarkt oder dem Bastelbedarf sehr gut. Jetzt bewährt sich Ihre Zeichnung von Punkt 1, denn Sie sollten keine zwei Papprollen, die aufeinanderfolgen, in der gleichen Farbe anstreichen. Damit Sie also ein abwechslungsreiches Muster erzeugen können, sollten die Farben auf die Reihenfolge und die zusätzlichen Teile, die Sie anbauen wollen, abgestimmt sein. Wenn Sie bunte Folienreste haben, können Sie diese ebenfalls nutzen, um die Papprollen dekorativ zu gestalten.

Tipp: Wenn die Unterplatte aus einer stabilen Pappe besteht, müssen Sie die Rollen gar nicht unbedingt kleben. Viel haltbarer sind Musterbeutelklammern, die durch die Papprolle und die Rückwand geschoben werden. Dort lassen sich die zwei Enden umklappen. Diese Variante hält sehr viel stabiler und länger als normaler Klebstoff.

In lange Rollen können Sie von innen glatte durchsichtige Geschenkfolie einziehen, nachdem Sie an den Seiten Löcher oder breite Schlitze für einen Durchblick eingeschnitten haben. Wenn Sie die Löcher nicht von innen abdecken, bleibt die Kugel leicht stecken. Durch diese kleinen Aussparungen in den Rollen können die Kinder verfolgen, wie die Kugel an den „Fenstern" vorbeirauscht.

Tipp: Wenn Sie ausschließlich Papprollen verwenden wollen, sollten Sie diese an den jeweiligen End- und Wendepunkten oben so einschneiden, dass die Kugel halt findet und nicht herauskullert. Viele Einschnitte können Sie aber später noch etwas nachschneiden. Allerdings müssen Sie die Ausschnitte dann eventuell noch ein wenig mit Farbe nacharbeiten.

Die Rollen werden entsprechend Ihrer Zeichnung mit einem leichten Gefälle an der Platte angebracht. Dabei muss jede noch so kleine Rolle an mindestens zwei Punkten befestigt werden, damit das Gefälle erhalten bleibt. Beim Durchlaufen der Kugeln würde sich sonst die Rolle herunterdrücken. Arbeiten Sie stets so, dass Sie die Rollenbefestigung später noch etwas verändern können.

4. Töpfchen und Schalen anschrauben

Wenn zusätzliche Wendepunkte eingearbeitet werden sollen, ist es wichtig, dass diese Kehren etwas aushalten. Verwenden Sie also eine Holzplatte, ist es am Sichersten, wenn Sie diese Kehren einfach mit einer Spaxschraube daran anschrauben. Bei einem Karton können Sie beispielsweise Draht oder wieder die Musterbeutelklammern verwenden. Nur so können Sie sicher sein, dass die Kehren auch eine schwere Glasmurmel aushalten. Selbst wenn die Murmel vielleicht nur 20 Gramm wiegt, kann doch eine erhebliche Kraft auf die Kehre einwirken.

Tipp: Immer bedenken: Kraft ist Masse mal Geschwindigkeit. Je schneller die Kugel also in den Behälter schießt, desto höher ist die Kraft, die auf das Töpfchen einwirkt. Bereits eine Glasmurmel von nur 22 Millimetern Durchmesser hat üblicherweise schon ein Gewicht von 20 Gramm. Dabei ist das noch nicht einmal eine besonders große Kugel. Die Geschwindigkeit ist häufig ebenfalls erheblich höher als wir dachten und wird durch das Gefälle bestimmt.

An einer Kehre können Sie gut eine kleine Windmühle einbauen. Die lässt sich aus alten Eier- oder Eislöffeln basten. Auch alte Mehl- oder Kaffeeschaufeln eignen sich als bewegliches Rad, wenn sie an den Griffen verbunden werden.

Häufig muss nach einem Testlauf noch einiges angepasst werden. Das ist nicht schlimm, sollte aber gleich ausgebügelt werden. Wenn Sie die besagten Musterbeutelklammern verwenden, brauchen Sie meist nur eine von zwei Klammern an einer Papprolle neu justieren. Dann läuft die Kugel wie geschmiert durch Ihre Bahn. Sollte die Kugel über End- oder Wendepunkte hinausschießen, sollten Sie das Gefälle der jeweils letzten Papprolle etwas geringer anlegen. Außerdem müssen Sie den Landepunkt der Kugeln beim Testlauf bestimmen, damit Sie dort eine Schale oder ein Töpfchen anbauen können. Wenn Ihnen die Landung zu viel Lärm macht, können Sie die Schale mit einem alten Osternest, bunten Wollresten oder Ähnlichem auspolstern.

Tipps für Schnellleser

Grobe Skizze der Murmelbahn zeichnen

Grundplatte zuschneiden und Befestigung anbringen

Grundplatte anstreichen und mit Deko bekleben

eventuell Skizze auf die Platte übertragen

Papprollen anmalen und mit Ausschnitten versehen

vorbereitete Rollen auf Platte kleben / befestigen

Deko, Schalen und Töpfe anschrauben / kleben

Extras und Windmühlen einbauen und testen

Testlauf mit Murmel durchführen

Auffangschale anbauen und für Lärmschutz auspolstern

Murmelbahn aufhängen und Spaß haben

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Einfache Murmelbahn selber basteln - Kugelbahn bauen

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Eine Murmelbahn für Kinder regt die Fantasie an und wird meist einige Jahre lang von den Kindern immer wieder hervorgeholt. Wenn Sie eine Murmel- oder Kugelbahn selber basteln, lässt sich das System häufig über die Jahre sogar noch erweitern. Komplizierte An- und Umbauten machen die Murmelbahn so immer wieder spannend und neu.

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1) Die Schwerkraft wirkt hier anders - Zerlegung in Teilkräfte.

Auf jeden Körper übt die Erde eine Schwerkraft Fg aus. Diese ist um so größer, je größer die Masse m des Körpers ist.

Befindet sich z.B. eine Kugel auf einer schiefen Ebene, so wirkt die Schwerkraft in eine Richtung, in die sich die Kugel nicht bewegen kann.
Was wird die Kugel also tun?

Die Schwerkraft muss in zwei Teilkräfte (Komponenten) zerlegt werden, denn es passieren nun zwei Dinge:

die Kugel wird den Hang hinunterrollen.
Eine Teilkraft wirkt also den Hang abwärts - man nennt sie dieHangabtriebskraft FH.

die Kugel drückt nach wie vor (senkrecht) auf die Unterlage. Man nennt diese Teilkraft die Normalkraft FN (normal = senkrecht auf).

2) Auf der Suche nach den Beträgen der Teilkräfte.

Damit sind die Richtungen der Teilkräfte klar. Nun muss man noch ihre Beträge ermitteln.
Man tut dies, indem man zu einem Parallelogramm ergänzt, so dass die Diagonale die Schwerkraft F g ist.
(Weil Hangabtriebskraft F H (parallel zum Hang) und Normalkraft F N (senkrecht zum Hang) immer senkrecht aufeinanderstehen, gibt es in diesem Fall immer ein Rechteck, das aus zwei rechtwinkligen Dreiecken besteht - vgl. Skizze rechts)

Der Neigungswinkel α des Hanges kommt im gelb hinterlegten Kräftedreieck auch vor.
Die Hypotenuse (längste Seite dieses Dreiecks) ist die Schwerkraft F g (rot).
Die Gegenkathete (dem Winkel α gegenüber) ist die Hangabtriebskraft F H (grün).
Die Ankathete ( am Winkel) ist die Normalkraft F N (blau).

Es gelten folgende trigonometrische Beziehungen:

Trigonometrie auf das Dreieck angewendet nach der Teilkomponente aufgelöst

3. Grenzfälle.

Winkel 0°

Der Sinus bei 0° Winkel ist 0.
Also ist die Hangabtriebskraft ebenfalls 0 - das ist auch logisch, denn bei 0° sind wir in der Ebene, da gibt es keine Hangabtriebskraft!

Der Cosinus bei 0° Winkel ist 1.
Die Normalkraft F N ist dann genau die Schwerkraft F g, d.h. die Kugel drückt mit ganzer Schwerkraft auf die Unterlage.

Winkel 90°

Der Sinus bei 90° Winkel ist 1.
Bei 90° fällt die Kugel sozusagen frei am Hang entlang ohne ihn zu berühren. Dann wird die Hangabtriebskraft F H gleich der Schwerkraft F g - es ergibt sich der freie Fall.

Der Cosinus bei 90° Winkel ist 0.
Die Normalkraft F N ist dann 0, die Kugel drückt nicht mehr auf die Unterlage.

4. Die Beschleunigung / Verzögerung.

Die Bewegung der Kugel den Hang hinunter ist eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Die Beschleunigung a ist also konstant.
Warum?

Nach dem zweiten Gesetz von Newton gilt:

Die beschleunigende Kraft ist die Hangabtriebskraft F H, wir setzen ein, drücken F H mit Schwerkraft F g und Winkel aus (s.o.) und vereinfachen.

4.1.) Die Beschleunigung hängt vom Hangwinkel ab: konstante Neigung - konstante Beschleunigung.
Bei einem steilen Hang (großes α), ist also auch die Beschleunigung a groß.

Hat der Hang eine konstante Neigung (α konstant), so ist auch die Beschleunigung a überall gleich groß - es ergibt sich eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung, wenn sich die Kugel den Hang hinunterbewegt.

Bewegt sie sich den Hang hinauf, so wirkt die Hangabtriebskraft als Bremskraft, denn sie wirkt der Bewegung entgegen.
Es ergibt sich dann eine Bremsbewegung mit konstanter Verzögerung a (negativer Beschleunigung), die ebenfalls g * sinα ist.

4.2.) Die Beschleunigung hängt nicht von der Masse ab.

Da man nicht zwischen schwerer und träger Masse unterscheidet, kürzt sich die Masse heraus: das bedeutet, dass die Masse für die Beschleunigung / Verzögerung am Hang gar keine Rolle spielt!
Sieht man von der Reibung ab, so kommen alle Körper, egal ob groß oder klein, leicht oder schwer, gleichzeitig unten an!
Die Überlegung ist parallel zur Fallbeschleunigung g beim freien Fall.

Mehr zu diesem Vergleich schiefe Ebene und freier Fall findest du hier: Vergleich: freier Fall und schiefe Ebene

Das folgende Java-Applet zeigt die Bewegung einer Kugel auf einer schiefen Ebene. Von der Reibung wird abgesehen.

Unter "Zeichenoption" kann man einstellen, welche Kräftevektoren gezeichnet werden sollen. Mit dem rechten Auswahlfeld kann man die Neigung der schiefen Ebene einstellen. Ein Klick auf "Kugel los!" läßt die Kugel loslaufen, mit "Pause" kann man die Animation anhalten. Die Wiedergabe erfolgt etwas in Zeitlupe, die Bewegung dauert doppelte Echtzeit.

Im Feld erhält man auch Informationen über den Neigungswinkel der Ebene, die Beschleunigung, die Laufzeit auf der schiefen Ebene sowie die aktuelle Zeit und die aktuelle zurückgelegte Wegstrecke.

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Auf jeden Körper übt die Erde eine Schwerkraft Fg aus. Diese ist um so größer, je größer die Masse m des Körpers ist. Befindet sich z.B. eine Kugel auf einer schiefen Ebene, so wirkt die Schwerkraft in eine Richtung, in die sich die Kugel nicht bewegen kann. Was wird die Kugel also tun?