Virtuelles Autorennen mit Motion Track
Mit der App Motion Track lassen sich mit Simulationen spielerisch Erfahrungen mit Kräften auf bewegte Körper machen.
Drei von fünf Jugendlichen spielen mehrmals pro Woche digitale Spiele. Dabei haben Smartphones die größte Bedeutung. Hier gibt es auch Spiele, bei denen man auch Physik lernen kann. Dazu gehört die Simulations-App Motion Track für Android.
Nach dem Start sieht man eine schwarze Rennstrecke mit einer roten Start- und Ziellinie sowie einem roten kreisrunden Objekt. Ziel des Spieles ist, dieses Objekt einmal um die ovale Rennstrecke herum ins Ziel zu steuern.
Auf der rechten Seite befinden sich vier Felder. Mit „Reset“ startet man ein neues Spiel. Darunter werden die aktuelle Geschwindigkeit als zweidimensionaler Vektorpfeil und im dritten Feld die aktuelle Kraft angezeigt, deren Richtung man hier einstellen kann. Und schließlich kann man mit dem untersten Button „Forward 0.5s“ das Objekt um einen Zeitschritt weiterbewegen. Alle Orte und Kraftpfeile bleiben wie in einem Stroboskopbild sichtbar. Über der Rennstrecke wird die Zeit ab dem Start angegeben. Ziel ist es, eine Runde in möglichst kurzer Zeit zu schaffen. Der Weltrekord liegt bei 66 Schritten – als „Time: 33,0 s“ in der Kopfzeile notiert.
Das Entscheidende ist nun, dass die auf das Objekt Kraft wirkende nicht beliebig einstellbar ist: Für die x- und y-Richtungen gibt es jeweils nur drei Einstellungen: Null oder eine Einheit in die eine oder andere Richtung. Das bedeutet vor allem, dass der Betrag der Kraft und damit der Betrag der Beschleunigung begrenzt ist.
Auf der Webseite der App werden sogar konkrete Größen genannt: Die 200 m lange Rennstrecke ist reibungsfrei; die Masse des Objekts beträgt 10 kg, und die Kraftkomponente kann in jede Richtung 50 N betragen. Die Beschleunigungskomponente kann folglich 0 oder 5 m/s² sein und für die Geschwindigkeitskomponenten gilt damit für das Zeitintervall eines Rechenschrittes: |vx |≤2,5 (m/s) und |vy |≤2,5 m/s.
Beim ersten Spielen gibt fast jeder kräftig Gas, da man schnell ins Ziel kommen will. Das gibt bereits in der ersten Kurve ein Problem. Bei dem bis dahin erreichten Tempo reicht die einstellbare Kraft nicht aus, um um die Kurve zu kommen. Man fliegt aus der Bahn, und das Spiel ist beendet. Man erlebt, dass ein „Auto“ bei zu großem Tempo aus der Kurve hinausfliegt (Abbildung 1), weil die notwendige, nach innen gerichtete Kraft bzw. Beschleunigung für die gewünschte Kurve nicht groß genug sein kann. Da eine größere Zentripetalkraft nicht möglich ist, muss man also langsamer fahren. Anwender erleben so die Folgen der begrenzten Beschleunigung bzw. Kraft. Wenn in der Realität ein Auto um die Kurve fährt, ist ebenso eine Zentripetalkraft nötig. Diese Kraft wird von der Straße als Haftkraft auf das Auto ausgeübt, auch sie ist begrenzt.
Die meisten Menschen denken, dass zur Aufrechterhaltung einer Bewegung eine Kraft in Bewegungsrichtung nötig ist, und es ohne Kraft keine Bewegung gäbe. Entsprechend wird dazu tendiert, eine Kraft in die Richtung anzugeben, in welche die Bewegung stattfinden soll. Mit dieser Strategie wird man aber bei dem Spiel scheitern, bis man erkennt, dass die angegebene Kraft nur die Änderung der Geschwindigkeit bestimmt, und diese Änderung begrenzt ist.
Der geübte Spieler kann auch versuchen, bestimmte Trajektorien zu erzeugen, zum Beispiel ein Herz oder ein Rechteck. Dazu sind dann einige physikalische Überlegungen nötig.
Dieses smarte Spiel basiert übrigens auf einem analogen Vorläufer, bei dem die Rennen mit Bleistift auf kariertem Papier ausgetragen werden.
Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt; Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern
Der vollständige Artikel zu Motion Track ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen (Zugang nur mit Online-Abo).
