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Federkraft und hookesches Gesetz

SchulversuchMechanikKlasse 7Grundlagen

Worum geht es?

Federn antworten auf mit Verformung, und zwar erstaunlich ordentlich: Innerhalb ihres Arbeitsbereichs ist die Dehnung ss proportional zur ziehenden Kraft FF. Dieses wird hier mit einer Messreihe geprüft; die Steigung der Messgeraden ist die Federkonstante DD, die Härte der Feder in Newton pro Meter.

Warum macht man dieses Experiment?

Das macht messbar: Jeder Federkraftmesser übersetzt Kräfte über genau diese Proportionalität in Zeigerstellungen; auch Zeiger-Personenwaagen arbeiten so. Später trägt dasselbe Gesetz die Schwingungslehre (Federpendel, harmonische Schwingung: dort heißt es Rückstellgesetz). Und der Versuch zeigt exemplarisch, dass physikalische Gesetze Gültigkeitsgrenzen haben: Überdehnt verliert die Feder ihre Ordnung.

Die physikalische Idee

An eine senkrecht hängende Feder werden nacheinander Wägestücke gehängt; ihre sind die Zugkräfte. Ein Maßstab misst die jeweilige Verlängerung gegenüber der unbelasteten Feder. Konstanter Quotient F/sF/s plus Ursprungsgerade im Diagramm bestätigen das Gesetz; der Quotient selbst ist DD.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Robert Hooke veröffentlichte das Gesetz 1676 zunächst als Anagramm („ut tensio, sic vis“: wie die Dehnung, so die ). Es beschreibt näherungsweise das elastische Verhalten fast aller festen Körper und trägt bis heute Messtechnik und Schwingungsphysik.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Hookesches Gesetz prüfen und D bestimmen

Prüfe mit einer Messreihe, ob die Dehnung der Feder proportional zur Zugkraft ist, und bestimme die DD.

Gemessen

  • — Dehnung (Verlängerung) (in )

    Positionsdifferenz zum unbelasteten Zustand: die Antwort der Feder.

Bekannt

  • — Zugkraft (in )

    Aus den Massen der Wägestücke über die Gewichtskraft berechnet: die eingestellte Größe.

Berechnet

  • — Federkonstante (in )

    Quotient F/sF/s; seine Konstanz prüft das Gesetz, sein Wert charakterisiert die Feder.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die geprüfte Gesetzesaussage: Proportionalität mit der Federkonstante als Faktor.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Belaste die Feder nacheinander mit 50 bis 250 g (in 50-g-Schritten), miss jeweils die Dehnung, prüfe die Proportionalität und bestimme DD. Beobachte anschließend, was bei deutlicher Überlastung passiert (Lehrerdemonstration mit Opferfeder).

2Vorbetrachtung

Warum die Dehnung und nicht die Gesamtlänge? Das Gesetz vergleicht mit Verformung: Bezugspunkt ist die unbelastete Feder. Wer Gesamtlängen notiert, bekommt eine Gerade, die die Achse nicht im Ursprung schneidet, und verwirft das Gesetz fälschlich.

Die Kräfte kommen aus dem Vorversuch: Jedes 50-g-Stück zieht mit FG=0,05 kg⋅9,81 Nkg≈0,49 NF_G = 0{,}05\ \mathrm{kg} \cdot 9{,}81\ \tfrac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}} \approx 0{,}49\ \mathrm{N}: Die Gewichtskraft-Messung liefert die Krafteichung dieser Reihe.

Erwartung: Ist das Gesetz gültig, wächst die Dehnung in gleichen Schritten, und der Quotient bleibt fest: bei unserer Feder voraussichtlich um 25 N/m25\ \mathrm{N/m}, also etwa 2 cm je 50-g-Stück.

3Geräte / Stoffe

Feder senkrecht am Stativ, Maßstab parallel dahinter. Nullposition des unbelasteten Federendes markieren (Reiter).

  • Schraubenfeder am Stativ

    Der Prüfling: Ihre Dehnung ist die gemessene Antwort auf die .

  • Wägestücke (50-g-Schlitzgewichte)

    Definierte Zugkräfte über ihre : je 50 g rund 0,49 N.

  • Maßstab mit Reiter oder Spiegelskala

    Misst die Position des Federendes millimetergenau.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Feder mit Maßstab und markierter Nulllage; daneben das vorbereitete F-s-Diagramm. Die Dehnung wird stets von der Nulllage aus gemessen.

ohne Last11 N2 cm22 N4 cm33 N6 cmRuhelageDoppelte Kraft, doppelte Dehnung: s ist zu F proportional

Der Versuch im Bild: gleiche Feder, wachsende Last, proportional wachsende Dehnung. Gemessen wird immer die Verlängerung gegenüber der unbelasteten Feder, nicht die Gesamtlänge.

s in cmF in N123456781234Δs = 4 cmΔF = 2 NSteigung = Federkonstante D = ΔF / Δs = 0,5 N/cm

Die Erwartung als Diagramm: eine Ursprungsgerade im F-s-Bild. Ihre Steigung ist die DD: steile Gerade, harte Feder.

5Durchführung

Schritt 1: Nulllage der unbelasteten Feder ablesen.

Schritt 2: Je 50 g zuladen, Beruhigung abwarten, Position ablesen, Dehnung berechnen; bis 250 g.

Schritt 3: Rückweg: Gewichte einzeln abnehmen und prüfen, ob die Feder auf die alten Positionen zurückkehrt (Elastizitätsprobe).

6Beobachtung

Messreihe (Nulllage 0; g=9,81 N/kgg = 9{,}81\ \mathrm{N/kg})
mm in g\mathrm{g}FF in N\mathrm{N}ss in cm\mathrm{cm}D=F/sD = F/s in N/m\mathrm{N/m}
500,492,024,5
1000,983,925,1
1501,475,924,9
2001,967,825,1
2502,459,825,0

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

Beim Entlasten kehrt das Federende jeweils auf die vorherigen Positionen zurück; unbelastet steht es wieder exakt auf der Nulllage.

7Auswertung

Proportionalität bestätigt: Die Quotienten schwanken nur im Rahmen der Millimeter-Ablesung um einen festen Wert; die Punkte liegen auf einer Ursprungsgeraden. Als ergibt sich der Mittelwert

D=25,0 Nm(±0,3 N/m)D = 25{,}0\ \frac{\mathrm{N}}{\mathrm{m}} \quad (\pm 0{,}3\ \mathrm{N/m})

Die Rückweg-Probe sichert die zweite Hälfte des Gesetzes: Die Verformung ist elastisch, die Feder kehrt vollständig zurück. Erst das macht sie zum wiederverwendbaren Messinstrument. Bei der überlasteten Opferfeder reißt beides zusammen ab: Die Dehnung wächst sprunghaft, und nach Entlastung bleibt eine dauerhafte Verlängerung. Die Proportionalitäts- und Elastizitätsgrenze ist überschritten.

Vom Gesetz zum Gerät: Mit bekanntem DD wird jede Dehnung zur Kraftanzeige: F=25 Nm⋅sF = 25\ \tfrac{\mathrm{N}}{\mathrm{m}} \cdot s. Eine Skala, die statt Zentimetern gleich Newton anschreibt, macht aus unserer Feder einen geeichten Kraftmesser: Genau so sind die Geräte aus dem Gewichtskraft-Experiment gebaut.

8Fazit

Die Feder folgt dem : Dehnung proportional zur mit D=25,0 N/mD = 25{,}0\ \mathrm{N/m}, vollständig elastisch im Arbeitsbereich. Oberhalb der Grenze endet beides: Gesetz und Wiederverwendbarkeit.

9Fehlerbetrachtung

Die Fehler dieser Reihe sind klein, aber lehrreich einzuordnen:

Millimeter-Ablesung mit Parallaxeeher zufällig

Ursache

Auge, Federende und Skala liegen nicht in einer Ebene.

Auswirkung

Dehnungen um 1 bis 2 mm falsch: Die Quotienten streuen um wenige Prozent.

Verbesserung

Spiegelskala oder Reiter verwenden, auf Augenhöhe ablesen.

Gesamtlänge statt Dehnung notierteher systematisch

Ursache

Verwechslung der Bezugsgröße.

Auswirkung

Scheinbar konstante Differenzen, aber wandernde Quotienten: Das Gesetz wirkt widerlegt.

Verbesserung

Nulllage deutlich markieren; Tabellenspalte ausdrücklich „Dehnung“ nennen.

Eigengewicht der Federeher systematisch

Ursache

Auch die unbelastete Feder hängt unter ihrem Eigengewicht leicht gedehnt.

Auswirkung

Keine: Die Nulllage schließt diese Vordehnung ein; gemessen wird nur die zusätzliche Dehnung. Wer stattdessen die entspannte Liegelänge als Referenz nähme, bekäme einen Achsenversatz.

Verbesserung

Nulllage stets an der hängenden, unbelasteten Feder nehmen.

Das Wichtigste

Das Gesetz

Im Arbeitsbereich der Feder gilt F=D⋅sF = D \cdot s: und Dehnung sind proportional.

Federkonstante

D=F/sD = F/s (Einheit N/m) misst die Härte: Unsere Messfeder hat D=25 N/mD = 25\ \mathrm{N/m}, also 0,25 N je Zentimeter.

Die Grenze

Oberhalb der Proportionalitätsgrenze dehnt sich die Feder überproportional und bleibt schließlich verformt: Das Gesetz gilt nur im elastischen Bereich.

Anwendung

Der Federkraftmesser ist das als Gerät: Skala statt Rechnung.

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