Federkraft und hookesches Gesetz
Worum geht es?
Federn antworten auf mit Verformung, und zwar erstaunlich ordentlich: Innerhalb ihres Arbeitsbereichs ist die Dehnung proportional zur ziehenden Kraft . Dieses wird hier mit einer Messreihe geprüft; die Steigung der Messgeraden ist die Federkonstante , 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 plus Ursprungsgerade im Diagramm bestätigen das Gesetz; der Quotient selbst ist .
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
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Kräfte mit der geeichten Feder messen
Nutze die vermessene Feder als selbstgebauten Kraftmesser: Bestimme unbekannte (Zugkraft an einem Gegenstand, eines Klotzes) allein aus der Dehnung.
Gesucht
- — Unbekannte Kraft (in )
Wird nicht direkt gemessen, sondern über die geeichte Feder aus der Dehnung berechnet.
Gemessen
- — Dehnung (in )
Die einzige Messgröße des selbstgebauten Kraftmessers.
Bekannt
- — Federkonstante (in )
Aus der Gesetzesprüfung (25,0 N/m): die Eichung des Geräts.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Jetzt als Messformel benutzt: Dehnung rein, Kraft raus.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Bestimme mit der geeichten Feder: (a) die eines unbekannten Gegenstands, (b) die , mit der ein Holzklotz gleichmäßig über den Tisch gezogen wird. Kontrolliere (a) mit dem kommerziellen Kraftmesser.
2Vorbetrachtung
Die Messidee kehrt die Gesetzesprüfung um: Dort war die bekannt und die Dehnung die Antwort; jetzt wird die Dehnung gemessen und die Kraft berechnet. Das funktioniert nur, weil die Reihe zweierlei gesichert hat: die Proportionalität (sonst wäre eine Ein-Punkt-Eichung wertlos) und den Zahlenwert von . Ein Messgerät ist immer ein geprüftes Gesetz plus eine Eichung.
3Geräte / Stoffe
Die vermessene Feder mit Maßstab; für (b) wird sie waagerecht zwischen Hand und Klotz gespannt.
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.
Holzklotz mit Öse
Prüfkörper für die Reibungskraft-Anwendung.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Zwei Anordnungen: hängende Feder mit unbekanntem Gegenstand; waagerecht gezogener Klotz mit zwischengespannter Feder.
Der Versuch im Bild: gleiche Feder, wachsende Last, proportional wachsende Dehnung. Gemessen wird immer die Verlängerung gegenüber der unbelasteten Feder, nicht die Gesamtlänge.
Die Erwartung als Diagramm: eine Ursprungsgerade im F-s-Bild. Ihre Steigung ist die : steile Gerade, harte Feder.
5Durchführung
Teil (a): Gegenstand anhängen, Dehnung ablesen, berechnen; danach Kontrolle mit dem kommerziellen Kraftmesser. Teil (b): Klotz über die Feder mit möglichst gleichbleibendem Tempo ziehen; die (leicht schwankende) Dehnung während des Gleitens ablesen.
6Beobachtung
| Messung | in | in | Kontrolle |
|---|---|---|---|
| Unbekannter Gegenstand | 6,3 | 1,58 | Kraftmesser: |
| Klotz gleichmäßig gezogen | 3,0 (schwankend ±0,3) | 0,75 | — |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Teil (a) bestätigt das Verfahren: , in Übereinstimmung mit dem kommerziellen Gerät. Der Eigenbau misst so gut wie seine Eichung.
Teil (b) zeigt die Reichweite: Auch , die gar nichts mit Gewichten zu tun haben (hier die Gleitreibungskraft von rund ), werden messbar. Die Feder überträgt und misst jede Zugkraft. Die Schwankung der Anzeige beim Ziehen ist dabei keine Schwäche des Geräts, sondern echte Physik: Die ruckelt (Übergänge zwischen Haften und Gleiten), ein Vorgeschmack auf das Reibungs-Experiment.
8Fazit
Die geeichte Feder misst unbekannte über F = D·s zuverlässig (Kontrolle bestätigt) und macht auch nicht-gewichtsbedingte Kräfte wie die zugänglich: das als Messinstrument.
9Fehlerbetrachtung
Zur Ablesegenauigkeit kommt jetzt die Eichunsicherheit:
Unsicherheit der Federkonstanteeher systematisch
- Ursache
D trägt aus der Eichreihe etwa ein Prozent Unsicherheit.
- Auswirkung
Jede gemessene erbt diesen Prozentfehler zusätzlich zur Ablesung.
- Verbesserung
Eichreihe mit mehr Punkten; D regelmäßig nachprüfen.
Schwankende Anzeige beim Zieheneher zufällig
- Ursache
Ruckgleiten des Klotzes (Stick-Slip).
- Auswirkung
Die ist nur als Mittelwert mit Bandbreite angebbar.
- Verbesserung
Langsam und gleichmäßig ziehen; Mittelwert und Schwankungsbreite angeben.
Das Wichtigste
- Das Gesetz
Im Arbeitsbereich der Feder gilt : und Dehnung sind proportional.
- Federkonstante
(Einheit N/m) misst die Härte: Unsere Messfeder hat , 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.