Die Antwort aus dem Physikforum hat mir zu lange gedauert, also kommt jetzt mal meine Antwort. Aber trivial war's nicht! Bin gespannt, ob sich das einer im Detail überhaupt anschauen mag...
Annahmen:Zwei fast identische Autos (A und B) fahren auf die gleiche Art und Weise und unter den selben Bedingungen die selbe Gesamtstrecke von 40.000 km.
Beide Autos haben die selbe Reifengröße von 205/55 R16 = 16 Zoll + (2*(205/55) mm) = 63,19 cm Raddurchmesser = 31,6 cm Radradius
Der einzige Unterschied zwischen den Fahrzeugen ist das Gewicht der Reifen:
Wagen A hat 205/55 R16 91V Bereifung die 9,2 kg pro Reifen wiegt.
Wagen B hat 205/55 R16 94V Bereifung die 10,2 kg pro Reifen wiegt.
Die Reifen von Wagen B sind pro Stück also 1 kg schwerer als die von Wagen A.
Das Mehrgewicht der Reifen hat einem mittleren Abstand von 28 cm von der Radachse.
Frage 1: Wieviel mehr an Rotationsenergie muss Wagen B ggü. Wagen A über die Gesamtstrecke aufbringen?Da die Autos bis auf das Reifengewicht identisch sind, kann man nur das Mehrgewicht betrachten, das beschleunigt werden muss.
Also man stelle sich ein Rad als einen Zylindermantel mit 28 cm Radius vor, der 1 kg wiegt und um seine Symmetrieachse rotiert.
Für einen Zylindermantel gilt:
ERot = 0,5 x M x r² x ω²
mit
ERot = Rotationsenergie
M = Masse = 1 kg
r = Radius = 28 cm
ω = Winkelgeschwindigkeit = Umdrehungen/Sekunde x 2 x π
(siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Rotationsenergie,
http://de.wikipedia.org/wiki/Winkelgeschwindigkeit,
http://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsmoment)
Nur beim Beschleunigen muss mehr Energie aufgewendet werden, da dann in den schwereren Reifen mehr Rotationsenergie gespeichert wird.
(Bei konstanter Fahrt, hat das Mehrgewicht keinen Einfluss und beim Bremsen geht das Mehr an Rotationsenergie in den Mehrverschleiß der Bremsen.)
Deshalb ist die Frage ganz entscheidend wie Häufig und auf welche Geschwindigkeit beschleunigt wird. Als Grundlage nehme ich den "Neuen Europäischen Fahrzyklus" (NEFZ)
(siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzyklus,
http://www.autotouring.at/data/magazin/webuse/1207_nefz_b_4.jpg und
http://www.motor-talk.de/bilder/richtig-fahren-mit-dem-dsg-7-gang-g22772522/nefz-fahrzyklus-innerorts-i203478337.html)
Dort wird insgesamt
3 x von 0 auf 15 km/h
3 x von 0 auf 32 km/h
3 x von 0 auf 50 km/h
1 x von 0 auf 70 km/h
1 x von 50 auf 120 km/h
bescheunigt auf einer Gesamtstrecke von ca. 18,5 km (siehe
www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=0CBUQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.nie-mehr-benzin.de%2Ffiles%2Fnefz-fahrzyklus.xls&ei=vtfhTJOPJYbMswbWi5n8Cw&usg=AFQjCNFL_64Wl0V0VN-4DtACRqyG5QspNg&sig2=Rc1vM7J8fvduDsqkKk9ESQ Diesen Link zu der Exel Tabelle bei Bedarf bitte als ganzes kopieren und wieder einfügen, sonst gehts nicht.)
Dies soll ein durchschnittliches Fahrverhalten wiederspiegeln. In der Realität liegt der Verbrauch tatsächlich aber höher.
Die 40.000 km Gesamtstrecke ist 2162,2 mal länger als die NEFZ-Strecke von 18,5 km, also beschleunigt man auch dementsprechend öfters:
6486,5 x von 0 auf 15 km/h
6486,5 x von 0 auf 32 km/h
6486,5 x von 0 auf 50 km/h
2162,2 x von 0 auf 70 km/h
2162,2 x von 50 auf 120 km/h.
Jetzt brauchen wir noch die Umdrehungen pro Sekunde der Reifen bei den unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Das echte Rad hat einen Radius von r = 31,6 cm und somit einen Umfang von 2 x π x r = 198,54 cm.
15 km/h: 2,1 U/s (= 416,66 cm/s / 198,54 cm)
32 km/h: 4,5 U/s (= 888,88 cm/s / 198,54 cm)
50 km/h: 7,0 U/s (= 1388,88 cm/s / 198,54 cm)
70 km/h: 9,8 U/s (= 1944,44 cm/s / 198,54 cm)
120 km/h: 16,8 U/s (= 3333,33 cm/s / 198,54 cm)
Die Winkelgeschwindigkeiten (ω) sind entsprechend ω = U/s x 2 x π:
15 km/h: 2,1 U/s x 2 x π = 13,2 /s
32 km/h: 4,5 U/s x 2 x π = 28,3 /s
50 km/h: 7,0 U/s x 2 x π = 44,0 /s
70 km/h: 9,8 U/s x 2 x π = 61,6 /s
120 km/h: 16,8 U/s x 2 x π = 105,6 /s
Die Winkelgeschwindigkeit des echten Rades und des gedachten 1 kg schweren Zylindermantels mit 28 cm Radius sind gleich.
Jetzt können wir die Rotationsenergien des Zylindermantels ausrechnen (ERot = 0,5 x M x r² x ω² mit M = 1 kg, r = 0,28 m):
Bei 15 km/h: 6,83 Joule (= kg x m² / s²)
Bei 32 km/h: 31,39 Joule
Bei 50 km/h: 75,89 Joule
Bei 70 km/h: 148,75 Joule
Bei 120 km/h: 437,13 Joule
Jetzt die Gesamtenergie bei allen Beschleunigungen über die 40.000 km:
6486,5 x von 0 auf 15 km/h: 6486,5 x 6,83 J = 44.302,8 Joule
6486,5 x von 0 auf 32 km/h: 6486,5 x 31,39 J = 203.611,2 Joule
6486,5 x von 0 auf 50 km/h: 6486,5 x 75,89 J = 492.260,49 Joule
2162,2 x von 0 auf 70 km/h: 2162,2 x 148,75J = 321.627,3 Joule
2162,2 x von 50 auf 120 km/h: 2162,2 x (437,13 J - 75,89 J) = 781.073,13 Joule
Sind gesamt pro Reifen: 1.842.874,9 Joule mehr Energieaufwand.
Da 4 Reifen beschleunigt werden mussen ist die zusätzliche Gesamt-Rotationsenergie (x4) = 7.371.499,7 Joule = 7.371,5 kJ
Frage 2: Wieviel Superbenzin muss verbrannt werden, um diese Energie zu erzeugen?Superbenzin hat einen Heizwert von 12 kWh/kg und eine Dichte von 0,74 kg/Liter
Also hat ein Liter Superbenzin einen Heizwert von 8,88 kWh.
(siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftstoff und
http://de.wikipedia.org/wiki/Heizwert)
Der mittlere Wirkungsgrad eines Autos mit Ottomotor liegt bei 14% (siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto -> Energiespeicher)
(Der Motor an sich hat noch einen Wirkungsgrad von ca. 20-30 %, aber dann geht noch weitere Energie verloren in den mechanischen Bauteilen wie Kupplung, Getriebe, Kardanwelle, Differenzial, Radlager etc.
und nur 14% kommt für die Fortbewegung an den Reifen an.)
Das bedeutet von den 8,88 kWh/l chemischer Energie im Superbenzin werden nur 14% in Fortbewegung umgesetzt, also 1,24 kWh/l
Oder anders ausgedrückt: Damit ein Auto 1,24 kWh für Fortbewegung erzeugen kann muss es dafür ein Liter Superbenzin verbrennen.
Jetzt rechnen wir unsere Gesamt-Rotationsenergie von Kilojoule in Kilowattstunden um: 1 Wh = 3,6 kJ (siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Wattstunde)
7371,5 kJ / 3,6 = 2047,6 Wh = 2,047 kWh
Daraus resultiert dann der Mehrverbrauch:
2,047 kWh / 1,24 kWh/l = 1,65 l auf 40.000 kmNa das geht doch. :-)
Bearbeitet von: stephk am 16.11.2010 um 04:05:47Bearbeitet von: stephk am 16.11.2010 um 04:07:08Bearbeitet von: stephk am 16.11.2010 um 04:10:37Bearbeitet von: stephk am 16.11.2010 um 04:16:43