Berechnen wir zunächst die Beschleunigung in SI-Einheiten: \(a= \frac{\Delta v}{\Delta t}= \frac{100 \frac{km}{h}}{2,0 s}= \frac{100 \cdot \frac{1000m}{3600s}}{2,0s}=13,9 \frac{m}{s^2}\). Das Verhältnis \(a/g\) zur Erdbeschleunigung \(g \approx 9,81 \frac{m}{s^2}\) ist also \(\frac{a}{g}=1,4\), d.h. \(a=1,4 g\) . Der Fahrer wird also mit dem 1,4-fachen seines Körpergewichts in den Sitz gedrückt.

Es gilt \(F=ma\) und somit \(a=\frac{F}{m}=\frac{18,0 \cdot 10^3 N}{3,2kg}=5,6 \cdot 10^3 \frac{N}{kg} \). Ausserdem lässt sich durch \(F=ma\) ableiten, dass \(\frac{N}{kg}=\frac{m}{s^2}\).

\(F=m\cdot a\)

Die Veränderung der Geschwindigkeit eines Objektes mit der Beschleunigung a von v1 auf v2

\(v2-v1=\Delta v=a\cdot t \rightarrow a=\frac{\Delta v}{t}\) 

und damit berechnet sich die Kraft F wie folgt

\(F=12\cdot\frac{50-30}{4}=60\,N \)

\(p=m\cdot v\)

\(30\,\frac{km}{h}=8,\dot{3}\,\frac{m}{s}\)

umgeformt und eingesetzt:

\(m=\frac{87366}{8,\dot{3}}=10526\,kg\)

Coulombkraft

\(F_C = \frac{q_e q_p}{4\pi\vareps_0 r^2}\)

Gravitationskraft

\(F_G = G \frac{m_e m_p}{r^2}\)

\(\frac{F_C}{F_G} = \frac{q_e q_p}{4\pi\vareps_0 r^2} \cdot \left( G \frac{m_e m_p}{r^2}\right)^{-1} = \frac{1}{4\pi\vareps_0G} \cdot \frac{q_e q_p}{m_e m_p} = 2,27\cdot 10^{39}\)

Die Gravitationskraft ist demnach in diesem Fall vollkommen vernachlässigbar.

Damit das Objekt in der Bahn bleibt, muss die Zentrifugalkraft \(F_Z\) mindestens gleich der Schwerkraft \(F_g\) sein. Für den höchsten Punkt der Schleife soll also gelten:

\(\frac{m\cdot v^2}{r} = m\cdot g\)

Daraus erhält man die benötigte Geschwindigkeit:

\(v = \sqrt{g\cdot r}\)

Das Objekt hat anfänglich eine potentielle Energie \(E_{pot} = m\cdot g\cdot h\). Am höchsten Punkt der Schleife befindet es sich auf einer Höhe von \(2\cdot r\), dementsprechend wurde ein Teil seiner Energie in kinetische Energie umgewandelt:

\(E_{kin} = \frac{m\cdot v^2}{2} = m\cdot g\cdot (h - 2\cdot r)\)

Diese gleichung kann man nun nach \(h\) auflösen:

\(h = \frac{v^2}{2\cdot g} + 2\cdot r\)

Schließlich kann man den oben erhaltenen Ausdruck für die Geschwindigkeit \(v\) in die Formel für die Höhe \(h\) einsetzen und erhält:

\(h = \frac{5}{2}\cdot r\)

Die allgemeine Ortsgleichung \(s(t)\) eines Objektes, auf das die Beschleunigung \(a\) wirkt,mit dem Anfangsort \(s_0\) und der Anfangsgeschwindigkeit \(v_0\) lautet \(s(t)=s_0+v_0 \cdot t+a\cdot \frac{t^2}{2}\).

Die Beschleunigung \(a\) der Radfahrerin ist \(a=\frac{\Delta v}{\Delta t}\), wo \(\Delta v=v_2-v_1\) und  \(\Delta t=t_2-t_1\). Mit \(v_1=25\,\frac{km}{h}=6,9\bar{4}\,\frac{m}{s}\), \(v_2=0\,\frac{m}{s}\), \(t_1=0\) und \(t_2=t\) mit \(t\) ist jener Zeitpunkt an dem die Fahrradfahrerin zum Stillstand kommt und damit am Ende des Bremsweges \(s(t)=24\) angekommen ist.

Mit \(s_0=0\) und  \(a=\frac{-v_1}{t}\) müssen wir die Gleichung \(24=v_1\cdot t-\frac{v_1}{t}\cdot \frac{t^2}{2}=v_1 \cdot t - \frac{v_1}{2}\cdot t=\frac{v_1}{2}\cdot t\) nach \(t\) auflösen und erhalten

\(t=\frac{2\cdot 24\,m}{v_1}=\frac{48\,m}{6,9\bar{4}\frac{m}{s}}=6,912\,s\). Daraus folgt \(a=\frac{-v_1}{t}=\frac{-6.9\bar{4}\frac{m}{s}}{6,912\,s}=1,0047\,\frac{m}{s^2}\).

Zuallererst rechnet man die Geschwindigkeiten in SI-Einheiten um

\(v_1=50\,\frac{km}{h}=13,\dot{8}\,\frac{m}{s}\)

\(v_2=100\,\frac{km}{h}=27,\dot{7}\,\frac{m}{s}\)

Die Kraft \(F\) berechnet sich folgendermassen

\(F=m\cdot a\)

mit den eingesetzten Werten und mit \(a=\frac{v_2-v_1}{t_2-t_1}\) mit \(t_2=t\) und \(t_1=0\):

\(F=1300\cdot\frac{27,7-13,8}{4}=4513,\dot{8}\,N\)