Experimente zur Dynamik

Mechanische Kräfte

Das folgende Experiment bezieht sich auf den Abschnitt Mechanische Kräfte.


Kraft und Verformung

Material:

  • Eine Sperrholz-Platte (4 \text{ bis } \unit[6]{mm} dick)
  • Zwei Holzklötze (6 \times 6 \text{ oder } \unit[8 \times 8]{cm})
  • Verschiedene Gewichte
fig-experiment-kraft-und-verformung

Verformung einer Holzplatte durch die einwirkende Gewichtskraft.

Durchführung:

  • Lege eine dünne Holzplatte auf zwei auseinander liegende Holzklötze. Stelle dann mitten auf die Holzplatte ein Gewicht. Kannst Du erkennen, wie sich die Platte durch die Gewichtskraft des Probekörpers verformt?
  • Nimm das Gewicht herunter und versuche die Platte ebenso zu verformen, indem Du mit der Hand darauf drückst. Übt die Holzplatte dabei ebenfalls einen Druck auf Dich aus?

Zusammenwirken mehrerer Kräfte

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Zusammenwirken mehrerer Kräfte.


Der Team-Turmbau

Material: (für 3 bis 6 Personen)

  • 6 Holzklötze (8x8 cm breit, ca. 25 cm hoch) mit vorgefertigten Aussparungen
  • 6 Seilstücke (ca. 1 m Länge, ca. 6 mm Durchmesser)
  • 1 Seilstücke (0,5 m Länge, ca. 6 mm Durchmesser)
  • 1 Scheibe mit einer zentrierten Bohrung (8mm) und 6-12 weiteren regelmäßig angebrachten Bohrungen im Außenbereich der Scheibe , ca. 1 cm vom Rand entfernt.
fig-experiment-team-turmbau

Holzklotz und Halterung für den Team-Turmbau.

Durchführung:

  • Verteile die Holzklötze stehend auf dem Boden.
  • Befestige die sechs gleichlangen Seilstücke an der Scheibe mit den Bohrungen.
  • Forme das kürzere Seilstück zu einer Schlinge und befestige die Enden mittels eines dicken Knotens an der inneren Bohrung der Scheibe.
  • Stelle gemeinsam mit Deinen Teampartnern die Holzklötze nur durch gemeinsames Ziehen an den Seilenden aufeinander.

Kraftmessung

Material:

  • Vier Federkraftmesser (\unit[10]{N})
  • Holzklotz mit großer Bohrung
  • Schraubzwinge
  • Drei Hakenschrauben
  • Ein dreieckiges Metallstück mit drei Bohrungen entlang einer Kante und einer Bohrung an der gegenüber liegenden Spitze (z.B. aus einem Metallbau-Kasten)
fig-experiment-kraftmesser

Kraftmessung mit Federkraftmessern

Durchführung:

  • Drehe die drei Hakenschrauben in einer Reihe in den Holzklotz. Befestige ihn mittels einer Schraubzwinge am Rand einer Tischplatte.
  • Hänge einen Federkraftmesser an der mittleren Hakenschraube ein. Welche Kraft zeigt er an, wenn du mit einem anderen Federkraftmesser mit einer Kraft von \unit[5]{N} an ihm ziehst?
  • Befestige zwei Federkraftmesser an den beiden äußeren Hakenschrauben und hänge das dreieckige Metall an den beiden Eck-Bohrungen ein. Welche Kraft zeigen die beiden Kraftmesser an, wenn Du mit \unit[10]{N} an der anderen Seite des Metallblechs ziehst? Welche Gesetzmäßigkeit kannst Du darin erkennen?
  • Überprüfe Deine Vermutung, indem Du drei Kraftmesser an den Hakenschrauben im Holzklotz einhängst, das Metallstück an den drei in Reihe liegenden Bohrungen einhängst und wiederum mit \unit[10]{N} an der anderen Seite des Metalls ziehst. Was stellst Du fest?

Arten mechanischer Kräfte

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Arten mechanischer Kräfte.


Verformung einer Schraubenfeder

Dieses klassische Experiment zum “Hookeschen Gesetz” zeigt, wie Federkraftmesser funktionieren.

Material:

  • Eine weiche bis mittelharte Schraubenfeder
  • Verschieden schwere Haken-Gewichte (3 \times \unit[10]{g},\; 1 \times
\unit[20]{g})
  • Stativmaterial (ein Stativfuß, je eine lange und eine kurze Stativstange, zwei Quermuffen)

Durchführung:

  • Hänge eine Schraubenfeder an der Querstange eines Stativs auf und befestige die 10- und \unit[20]{g}-Gewichte an der Schraubenfeder. Markiere (beispielsweise mit Hilfe einer weiteren Quermuffe und eines Stiftes) den Punkt, bis zu dem die Feder auseinander gezogen wird. Haben alle Teilkräfte die gleiche Richtung und die gleiche Wirkungslinie?
  • Was passiert, wenn du anstelle der einzelnen Haken-Gewichte einen Probekörper der Masse \unit[50]{g} anhängst?
  • Ändert sich an der Dehnung der Feder etwas, wenn Du die Körper nicht direkt, sondern über einen dünnen Faden an der Feder befestigst?

Bestimmung der Federkonstante einer Schraubenfeder

Dieses Experiment ist ein Beispiel dafür, welche Bedeutung lineare Zusammenhänge in der Mechanik haben und wie sie sich tabellarisch oder als Diagramm darstellen lassen.

Material:

  • Eine oder mehrere mittelharte Schraubenfeder(n)
  • Zwei oder mehrere Gewichte der Masse \unit[100]{g}
  • Stativmaterial (ein Stativfuß, je eine lange und eine kurze Stativstange, zwei Quermuffen)
  • Ein Lineal
fig-experiment-hookesches-gesetz

Experimentelle Anordnung zum Hookeschen Gesetz.

Durchführung:

  • Hänge die Schraubenfeder an der Querstange eines Stativs auf und miss die Länge der unbelasteten Schraubenfeder. Befestige ein \unit[100]{g}-Gewicht an der Schraubenfeder und miss die Länge der gedehnten Feder.
  • Berechne die Federkonstante k, indem Du die Gewichtskraft (\approx \unit[1]{N}) des Probekörpers durch die Längenänderung der Feder teilst.
  • Bleibt das Verhältnis von Gewichtskraft und Längenänderung erhalten, wenn Du weitere Gewichte an der Schraubenfeder befestigst? Notiere dazu jeweils die Gewichtskraft der angebrachten Probekörper sowie die Längenänderung der Schraubenfeder in einer Tabelle.
  • Optional: Wiederhole das Experiment mit einer weicheren oder härteren Feder. Fertige ein Diagramm aus den tabellarischen Messwerten an. Welchen Zusammenhang kannst Du erkennen?

Kugel in einer Modell-Zentrifuge

Mit diesem Experiment wird das Kräftegleichgewicht aus Hangabtriebskraft und Zentripetalkraft bei einer Modell-Zentrifuge schön veranschaulicht.

Vorbereitung:

  • Säge von einer Dachlatte ein \unit[20]{cm} langes Stück ab und bringe eine exakt mittige Bohrung mit einem \unit[10]{mm} dicken Bohrer an.
  • Säge anschließend zwei weitere \unit[5]{cm} lange Stücke ab, bringe je eine mittige Markierung \unit[]{cm} von einem einem der beiden Enden entfernt an und bohre an diesen Stellen mit Hilfe eines Bohrständers und eines =\unit[15]{mm} dicken Forstnerbohrers jeweils ein Loch in einem Winkel von ?? Grad zur Senkrechten.
  • Schraube die beiden kurzen Stücke an den Enden der längeren Leiste an. Stecke durch die Bohrungen je ein Reagenzglas (mit der Oeffnung nach aussen) und lege eine passende Holzkugel hinein.
  • Befestige die Hauptleiste mittig mit zwei Unterlegscheiben und (Stop-)Muttern an einer langen Schlossschraube. Saege den Kopf der Schraube ab und feile das abgeschnittene Ende nach, und fertig ist der Aufnahmeschaft (für Handgetriebe, Experimentiermotor oder Bohrmaschinen).

Material:

  • Ein mechanisches Zentrifugenmodell
  • Ein Experimentiermotor oder eine Bohrmaschine mit Drehzahlregulierung

Durchführung:

  • Setze das Zentrifugenmodell in die Aufnahme des Experimentiermotors beziehungsweise der Bohrmaschine ein. Bringe es erst langsam, dann schneller zum Rotieren. Achte dabei darauf, dass das Zentrifugenmodell aufrecht gehalten wird, um Unwuchten zu vermeiden.
  • Beobachte, wie weit sich die Kugel bei verschiedenen Drehzahlen aus ihrer Ruhelage auslenkt. Was stellst Du fest? Wie kannst Du Deine Beobachtung erklären?

Zurück zum Skript