Anton-Philipp-Reclam-Gymnasium Leipzig/Kraefte733/Kräfteanderschraubenfeder

Was sind Kräfte an der Schraubenfeder?

Die Federkraft (auch Spannkraft genannt) entsteht, wenn ein elastischer Körper auseinandergezogen oder zusammengedrückt wird.

Zum Beispiel eine Metallfeder aus Federstahldraht. In ihr wirkt eine entgegengesetzte Kraft, welche die Feder wieder in die Ausgangsposition zurückversetzt.

Federkraft

Um einen elastischen Körper, z.B. eine Schraubenfeder, zusammenzudrücken bzw. auseinanderzuziehen muss eine Kraft aufgewendet werden.

Wirkt die aufgewendete Kraft nicht mehr auf die Feder ein, so kehrt die Feder in ihre Ruhelage zurück.

Hookesches gesetz

Das HOOKEsche Gesetz beschreibt die Wirkung einer Kraft auf elastische Körper wie Federn. Die Federkonstante (Federhärte) wird mit bezeichnet. Es gilt F = D ⋅ Δ x mit der Längenänderung der der Feder

Experimente

Ziel des Versuches

Bei verschiedenen elastischen Körpern soll der Zusammenhang zwischen der dehnenden Kraft (-zunahme) ΔF und der Dehnung (Längenänderung) Δx untersucht werden.

Benötigte Geräte

• große Feder
• kleie Feder
• Haushaltsgummi
• Satz Massestücke
• Lineal
• Stativmaterial (vgl. Skizze)

Aufbau und Durchführung

• Stelle den Maßstab so ein, dass die Ablesescheibe bei einer "glatten" Marke (z.B. 60 cm) steht und die Maßstabswerte nach unten zunehmen (Waagschale ist bereits angehängt).
• Lege Stücke bekannter Masse in die Waagschale und notiere in der Tabelle die zugehörigen ΔF-Δx-Wertepaare. Gehe näherungsweise von g = 10 m/s2 aus.
• Hinweis zum Versuch mit dem Gummiband: Steigere zunächst die Belastung von 0 N auf 2 N schrittweise und notiere dabei die Verlängerungen in der oberen grünen Zeile der Tabelle. Reduziere nun die Belastung schrittweise von 2 N auf 0 N und schreibe abermals die Verlängerungen auf (untere grüne Zeile der Tabelle).

Auswertung

kleine Feder	ΔF in N	0,00	0,50	1,0	1,5	2,0
	Δx in mm	0	73	145	215	286
	ΔF/Δx in 10-3N/mm	---	6,8	6,9	7,0	7,0

große Feder	ΔF in N	0,00	0,50	1,0	1,5	2,0
	Δx in mm	0	24	49	73	98
	ΔF/Δx in 10-2N/mm	---	2,1	2,0	2,0	2,0

Gummiband	ΔF in N	0,00	0,50	1,0	1,5	2,0
	Δx in mm	→      0	64	108	121	135
	ΔF/Δx in 10-3N/mm	→      ---	7,8	9,3	12,4	14,8
	Δx in mm	5	75	115	126	135      ←
	ΔF/Δx in 10-3N/mm	0	6,6	8,6	11,9	14,8     ←

• Beide Federn haben einen nahezu konstanten Quotienten ΔF/Δx. Dies bedeutet, dass in beiden Fällen ΔF ~ Δx (direkt proportional) ist. Der Graph beider Federn ist eine Ursprungsgerade, wobei die Gerade der großen Feder steiler verläuft.
• Bei der großen Feder hat der Quotient einen höheren Wert als bei der kleinen Feder. Dies bedeutet, dass man bei der großen Feder eine höhere Kraft benötigt, um eine gewisse Verlängerung zu erzielen als bei der kleinen Feder. Man sagt die große Feder ist "härter".
• Beim Gummi kann man keine Konstanz des Quotienten ΔF/Δx beobachten, daher ergibt sich insgesamt auch kein geradliniger Verlauf des Graphen. Darüber hinaus zeigt der Gummi die Besonderheit, dass zu einer bestimmten Belastung nicht jeweils die gleiche Verlängerung gehört. Der Gummi verhält sich also insgesamt wesentlich komplexer als die Schraubenfedern.