Kreisbewegung

Die Kreisbewegung gehört zum Themenbereich Betriebs- und fertigungstechnische Größen im Prüfungsbereich NTG. Du berechnest, wie schnell sich ein Punkt auf einer drehenden Scheibe, Welle oder Trommel bewegt und welche Größen dabei zusammenhängen.

Für Industriemeister ist das praxisnah. Sie begegnet dir bei Schleifscheiben, Riementrieben, Seiltrommeln und bei der Schnittgeschwindigkeit an Dreh- und Fräsmaschinen. Die Rechnung ist kurz, aber sie hat eine typische Stolperstelle: die Drehzahl in 1/min.


📘 Auf einen Blick

MerkmalInformation
PrüfungsteilFachrichtungsübergreifende Basisqualifikationen
PrüfungsbereichBerücksichtigung naturwissenschaftlicher und technischer Gesetzmäßigkeiten (NTG)
ThemenbereichBetriebs- und fertigungstechnische Größen berechnen
ThemaKreisförmige Bewegungsabläufe (Rahmenplan 5.3.1)
Prüfungsrelevanz⭐⭐ Gering
DatengrundlageDIHK-Rahmenplan und Auswertung von 37 Originalprüfungen der IHK
Art der PrüfungBerechnen mit Formelsammlung: Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit
Lernziel laut RahmenplanUmfangsgeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit kreisförmiger Bewegungen berechnen
Empfohlene LernprioritätMittel: wenig Stoff, aber Voraussetzung für Drehmoment und Leistung
VertiefungLernmodul in der KVM-Akademie (nach Veröffentlichung verfügbar)

Warum ist die Kreisbewegung wichtig?

Fast jede Maschine hat drehende Teile. Motoren, Wellen, Räder, Scheiben und Trommeln bewegen sich auf Kreisbahnen. Die Drehzahl steht auf dem Typenschild, die Geschwindigkeit am Umfang entscheidet über Sicherheit und Bearbeitungsqualität.

Als Industriemeister brauchst du dieses Wissen,

  • um Drehzahlen an Maschinen passend einzustellen,
  • um die Umfangsgeschwindigkeit von Scheiben, Walzen und Bändern zu beurteilen,
  • um Übersetzungen von Riemen- und Zahnradtrieben zu berechnen,
  • um zu verstehen, welche Kräfte in schnell drehenden Teilen entstehen.

Einordnung innerhalb des Rahmenlehrplans

Fachrichtungsübergreifende Basisqualifikationen
└── Berücksichtigung naturwissenschaftlicher und technischer Gesetzmäßigkeiten (NTG)
└── 5.3 Berechnen betriebs- und fertigungstechnischer Größen bei Belastungen und Bewegungen
├── 5.3.1 Geradlinige und kreisförmige Bewegungsabläufe ← diese Seite (kreisförmig)
├── 5.3.2 Mechanische Beanspruchungen
└── 5.3.3 Zug, Druck, Torsion, Biegung, Abscherung und Flächenpressung

Der Rahmenplan nennt unter 5.3.1 Umfangsgeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit. Der geradlinige Teil steht auf der Seite Gleichförmige und beschleunigte Bewegung. Die Zentrifugalkraft gehört im Rahmenplan zu 5.3.2.

Prüfungsrelevanz

⭐⭐ Geringe Prüfungsrelevanz

Das Thema gehört zum Rahmenplanpunkt 5.3.1. Dieser kam in 27 von 37 Prüfungen vor, seit 2020 in 11 von 13. Die Kreisbewegung ist dabei der kleinere Teil, die meisten Aufgaben zu 5.3.1 behandeln geradlinige Bewegungen. Wenn sie vorkommt, ist sie eine kurze Rechenaufgabe.

In den ausgewerteten Prüfungen wurde zum Beispiel verlangt,

  • aus der Drehzahl eines Motors die Winkelgeschwindigkeit zu berechnen,
  • aus Drehzahl und Durchmesser einer Trommel die Geschwindigkeit des Seils oder Bandes zu bestimmen,
  • aus der Umfangsgeschwindigkeit die Zeit für einen Hub zu berechnen,
  • die Übersetzung eines Antriebs zu ermitteln.

Zur Prüfungsanalyse NTG

Was lernst du auf dieser Seite?

Nach dem Lesen dieser Seite kannst du:

  • Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit unterscheiden,
  • die Drehzahl von 1/min in 1/s umrechnen,
  • Winkelgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit berechnen,
  • die Schnittgeschwindigkeit und die passende Drehzahl bestimmen,
  • Übersetzungen berechnen,
  • erklären, wie die Zentrifugalkraft entsteht.

Die Grundgrößen

GrößeZeichenEinheitBedeutung
Drehzahln1/s oder 1/minUmdrehungen je Zeit
PeriodendauerTsZeit für eine Umdrehung, T = 1 / n
Winkelφradeine Umdrehung = 360° = 2 · π rad
Winkelgeschwindigkeitωrad/sWinkel je Zeit
Umfangsgeschwindigkeitvm/sGeschwindigkeit eines Punktes am Rand
Radius, Durchmesserr, dmd = 2 · r

Die Einheit rad (Radiant) ist das Winkelmaß im Bogenmaß. Eine Umdrehung entspricht 2 · π rad, also rund 6,28 rad.

Die Formeln

GesuchtFormelHinweis
Drehzahl in 1/sn = n in 1/min : 60zuerst umrechnen
Winkelgeschwindigkeitω = 2 · π · nn in 1/s, ω in rad/s
Winkelgeschwindigkeit, Kurzformω = π · n / 30n in 1/min
Umfangsgeschwindigkeitv = ω · rr in m
Umfangsgeschwindigkeit, Kurzformv = π · d · nd in m, n in 1/s, v in m/s
UmfangU = π · dWeg je Umdrehung

Die Kurzform v = π · d · n leuchtet ein: In einer Umdrehung legt ein Punkt am Rand den Umfang π · d zurück. Mit n Umdrehungen je Sekunde ergibt das π · d · n je Sekunde.

Die Winkelgeschwindigkeit ist für alle Punkte einer Scheibe gleich. Die Umfangsgeschwindigkeit wächst mit dem Radius: Am Rand ist sie doppelt so groß wie auf halbem Radius.

Die Richtung der Geschwindigkeit

Bei der gleichförmigen Kreisbewegung bleibt der Betrag der Geschwindigkeit gleich. Die Richtung ändert sich aber ständig, denn die Geschwindigkeit zeigt immer in Richtung der Tangente. Eine Richtungsänderung heißt auch hier Beschleunigung. Sie zeigt zum Mittelpunkt und heißt Zentripetalbeschleunigung.

GrößeFormel
Zentripetalbeschleunigunga = v² / r = ω² · r
Zentripetalkraft, die den Körper auf der Bahn hältF = m · ω² · r = m · v² / r

Die Zentrifugalkraft ist die gleich große, nach außen gerichtete Kraft, die du im mitdrehenden Körper spürst. Sie wächst mit dem Quadrat der Drehzahl. Das ist der Grund, warum bei Schleifscheiben, Schwungrädern und Rotoren Höchstdrehzahlen gelten. Mehr zu Kräften steht auf der Seite Kräfte, schiefe Ebene und Reibung.

Übersetzung und Schnittgeschwindigkeit

Bei einem Riementrieb ist die Geschwindigkeit des Riemens an beiden Scheiben gleich. Daraus folgt:

GesuchtFormel
Übersetzungi = n₁ / n₂ = d₂ / d₁ (Index 1: treibend, Index 2: getrieben)
Drehzahl der getriebenen Scheiben₂ = n₁ · d₁ / d₂

Beispiel: Ein Motor dreht mit 1.500 1/min und treibt über eine Scheibe mit d₁ = 100 mm eine Scheibe mit d₂ = 250 mm an. n₂ = 1.500 1/min · 100 mm : 250 mm = 600 1/min. Die große Scheibe dreht langsamer.

Bei der Zerspanung heißt die Umfangsgeschwindigkeit Schnittgeschwindigkeit vc. Sie wird in der Praxis meist in m/min angegeben:

GesuchtFormel
Schnittgeschwindigkeitvc = π · d · n, mit d in mm und n in 1/min: vc = π · d · n / 1.000 in m/min
Drehzahln = vc · 1.000 / (π · d), mit vc in m/min und d in mm

Rechenbeispiel: Schleifscheibe

Gegeben: Eine Schleifscheibe hat den Durchmesser d = 250 mm und dreht mit n = 2.800 1/min. Für die Scheibe ist eine Höchstgeschwindigkeit von 35 m/s am Umfang vorgegeben.

Gesucht: Winkelgeschwindigkeit, Umfangsgeschwindigkeit und die höchste zulässige Drehzahl.

Formeln: n in 1/s = n in 1/min : 60, ω = 2 · π · n, v = ω · r, n = v / (π · d)

Einsetzen und Rechnen:

  • Drehzahl in 1/s: n = 2.800 : 60 = 46,67 1/s
  • Winkelgeschwindigkeit: ω = 2 · π · 46,67 1/s = 293,2 rad/s
  • Radius: r = 250 mm : 2 = 125 mm = 0,125 m
  • Umfangsgeschwindigkeit: v = 293,2 rad/s · 0,125 m = 36,7 m/s
  • Höchstdrehzahl: n = 35 m/s : (π · 0,25 m) = 44,56 1/s, das sind 44,56 · 60 = 2.674 1/min

Ergebnis: Die Scheibe erreicht am Rand 36,7 m/s. Das liegt über den vorgegebenen 35 m/s. Die Drehzahl darf höchstens rund 2.670 1/min betragen. Die Drehzahl muss also gesenkt werden.

Das Schaubild zeigt den Weg in drei Schritten. Der Einheitenwechsel von 1/min auf 1/s ist der wichtigste: Ohne ihn wäre das Ergebnis um den Faktor 60 falsch.

Typische Fehler

  • Die Drehzahl in 1/min direkt in ω = 2 · π · n einsetzen. Dann ist das Ergebnis 60-mal zu groß.
  • Durchmesser und Radius verwechseln. In v = ω · r steht der Radius.
  • Millimeter nicht in Meter umrechnen.
  • Winkelgeschwindigkeit und Drehzahl gleichsetzen. Beide haben unterschiedliche Einheiten.
  • Bei der Übersetzung die Scheiben vertauschen: Die kleinere Scheibe dreht schneller.
  • Umfangsgeschwindigkeit in m/min und m/s vermischen. Zwischen beiden liegt der Faktor 60.
  • Grad in die Formeln einsetzen, obwohl Bogenmaß verlangt ist.

Praxisbeispiel

An einer Drehmaschine soll ein Teil mit dem Durchmesser d = 60 mm gedreht werden. Für den Werkstoff gibt die Werkzeugtabelle eine Schnittgeschwindigkeit von vc = 120 m/min vor.

Der Industriemeister berechnet die Drehzahl: n = 120 m/min · 1.000 : (π · 60 mm) = 636,6 1/min. Die Maschine hat Stufen bei 560 und 630 1/min. Er wählt 630 1/min. Die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit beträgt dann vc = π · 60 mm · 630 1/min : 1.000 = 118,8 m/min. Das liegt knapp unter dem Vorgabewert und ist unkritisch.

Wird dasselbe Teil später auf d = 30 mm abgedreht, steigt die Drehzahl bei gleicher Schnittgeschwindigkeit auf das Doppelte.

Typische Prüfungsfragen

In den IHK-Prüfungen können beispielsweise folgende Anforderungen auftreten:

  • Berechnen Sie die Winkelgeschwindigkeit eines Motors aus seiner Drehzahl.
  • Ermitteln Sie die Umfangsgeschwindigkeit einer Scheibe aus Durchmesser und Drehzahl.
  • Berechnen Sie die Geschwindigkeit, mit der ein Seil von einer Trommel aufgewickelt wird.
  • Bestimmen Sie die Zeit für eine gegebene Hubhöhe aus der Umfangsgeschwindigkeit der Trommel.
  • Ermitteln Sie die Drehzahl, die zu einer vorgegebenen Schnittgeschwindigkeit gehört.
  • Berechnen Sie die Drehzahl der getriebenen Scheibe eines Riementriebs.
  • Erläutern Sie, warum die Umfangsgeschwindigkeit mit dem Radius wächst.
  • Begründen Sie, warum für drehende Werkzeuge eine Höchstdrehzahl gilt.

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Rechtsgrundlage

Die Qualifikationsinhalte des Prüfungsbereichs stehen in der Prüfungsverordnung der jeweiligen Fachrichtung, für Geprüfte Industriemeister Metall zum Beispiel in § 4 Absatz 6.

Prüfungsverordnung Geprüfter Industriemeister Metall, § 4 (Gesetze im Internet)

Fazit

Bei der Kreisbewegung hängen Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit zusammen: ω = 2 · π · n und v = ω · r, kurz v = π · d · n. Die Winkelgeschwindigkeit gilt für die ganze Scheibe, die Umfangsgeschwindigkeit wächst mit dem Radius.

Für die Prüfung solltest du die Drehzahl immer zuerst in 1/s umrechnen, Millimeter in Meter umsetzen und Radius und Durchmesser nicht verwechseln. Mit diesen drei Schritten sind die Aufgaben schnell gelöst.