Kräfte verformen: statisches Messen einer Kraft (Das Hookesche Gesetz)

(Klassische Mechanik > Kräfte und Gravitation)

• 

  Wann reißt das Gummiband?

• 

  Was passiert, wenn man zwei Figuren an die Feder hängt?

• 

  Professioneller Zugversuch zur Untersuchung der Belastbarkeit von Werkstoffen.

• 

  Verschiedene Werkstoffproben für den Zugversuch.

• 

  Dehnungsdiagramm eines Stahlbolzens. (Video des Verlauf des Zugversuchs.)

• 

  Dehnungsdiagramm eines Kniebandes

Zur Messung kann man entweder einen Gegenstand verformen oder die Bewegung eines Gegenstands verändern.

Dehnungsmessung bei Federn und einem Gummiband

Aufbau

Es soll untersucht werden, wie sich ein Gummiband oder Stahlfedern verlängern, wenn man an ihnen zieht.

Mit Hilfe von kleinen Metallgewichten kann man auf den Gummi oder auf eine Feder verschiedene Kräfte ausüben. Es ist klar, dass zwei Gewichte mit der doppelten Kraft ziehen und drei Gewichte mit der dreifachen Kraft, denn die Gewichte sind völlig gleich gebaut. Ein Gewicht zieht ungefähr mit einer Kraft von 0,5 Newton.

Gesucht ist der Zusammenhang von ausgeübter Kraft F und Verlängerung s des Gummis bzw. der Feder.

Beim Haushaltsgummi gilt es dabei eine Besonderheit zu beachten: Je nach vorheriger Dehnung ändert sich die für eine bestimmte Verlängerung nötige Kraft! Daher soll man in diesem Fall zunächst die Gewichtskraft schrittweise vergrößern, dann wieder schrittweise verkleinern!

Tragen Sie die Ergebnisse in die Tabelle und dann in ein Koordinatensystem ein:

      Gummi  | Feder 1 | Feder 2 | Feder 3 |              F(N)
 F (N) s (cm) | s (cm)  | s(cm)   | s (cm)  |              |
 0,5  |       |         |         |         |              |
 1    |       |         |         |         |              |
 1,5  |       |         |         |         |              |
 2    |       |         |         |         |              ------------s (cm)
 ...
 9,5  |       |
 10   |       |
 9,5  |       |
 ...
 2    |       |
 1,5  |       |
 1    |       |
 0,5  |       |
 0    |       | 

Messwerte

• 
• 

Messung von Kräften

Ein Federkraftmesser

• Praktikum: Kraftmesser selbst bauen mit einem Gummiring. (Gymnasium Friedberg, Bayern)

• Messen mit Federkraftmesser Hooksches Gesetz F=Ds Federkonstante F-s-Diagramm

Die Einheit der Kraft

Mit einer elastischen Feder kann man nun ein Kraftmessgerät bauen. Dazu braucht man noch eine Skala auf der man, je nach Verlängerung der Feder, die Stärke der Kraft ablesen kann. Wegen des Hookeschen Gesetzes wissen wir schon, dass diese Skala linear sein muss, aber in wie groß sollen die einzelnen Abschnitte sein?

Man könnte eine Krafteinheit so wie ein Kilogramm festlegen, eine Normfeder herstellen und Kopien in alle Länder verteilen. Verlängert man diese Feder um, sagen wir 10cm, so wirkt gerade eine Kraft der Stärke "eins". Das wäre in der Praxis aber sehr ungenau und unpraktisch.

Man hat deshalb zunächst die Gewichtskraft eines Gegenstandes auf der Erde mit einer Masse von einem Gramm als Einheit genomen. Sie heißt "pond". Eine Tafel Schokolade hat also definitionsgemäß eine Gewichtskraft von 100 pond.
Ein Nachteil dieser Festlegung ist, dass die Gewichtskraft von 1g Masse auf der Erde nicht überall gleichgroß ist. Dadurch kann man Kräfte an verschiedenen Stellen der Erde nicht mehr exakt vergleichen.

Die heute gültige Einheit verwendet deshalb die Eigenschaft der Trägheit zur Festlegung einer Krafteinheit. Sie wurde nach Isaac Newton benannt.

Links

• Biomechanik Prof. Dieter Suter, Uni Dortmund
• Physik des Gummis von "RubberHans"