Wirkungsgrad bestimmen
Worum geht es?
Keine reale Maschine gibt alle zugeführte als Nutzarbeit weiter: zweigt ihren Anteil ab. Das Verhältnis heißt . Der Versuch bestimmt ihn am Flaschenzug: Nutzarbeit aus Last und Hubhöhe, Aufwandsarbeit aus Zugkraft und Zugweg, und macht die Differenz als Reibungsarbeit dingfest.
Warum macht man dieses Experiment?
Der ist die Bewertungszahl der Technik schlechthin: Motoren, Kraftwerke, Netzteile, der eigene Körper, alles wird in η verglichen. Der Versuch verankert dabei zwei Grundwahrheiten: η ist immer kleiner als eins (die goldene Regel verspricht bestenfalls Gleichstand, die kassiert davon), und „verloren“ heißt nie verschwunden, sondern in umgebucht.
Die physikalische Idee
Der Flaschenzug hebt eine bekannte Last um eine gemessene Höhe (Nutzarbeit ); gleichzeitig werden Zugkraft und Zugweg am Seilende gemessen (Aufwandsarbeit ). Ideal wären beide gleich (goldene Regel); der reale Quotient ist der , die Differenz die Reibungsarbeit in Rollen und Seil.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
Der wurde mit den Dampfmaschinen zur Schicksalszahl: Watts Verbesserungen verdreifachten η und machten die Industrialisierung bezahlbar; Carnot fand 1824 die prinzipielle Obergrenze für Wärmekraftmaschinen. Für rein mechanische Maschinen wie unseren Flaschenzug setzt nur die die Grenze.
Versuchsziel
Aktuelles Versuchsziel
Wirkungsgrad des Flaschenzugs
Bestimme den des Flaschenzugs aus unabhängig gemessener Nutz- und Aufwandsarbeit, und lokalisiere die Verluste.
Gesucht
- — Wirkungsgrad
Der Quotient beider Arbeiten: die Gütezahl der Maschine (einheitenlos).
Berechnet
- — Nutzarbeit (in )
der gehobenen Last: was die Maschine liefert.
- — Aufwandsarbeit (in )
am Zugseil: was der Mensch hineinsteckt.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die Auswertungsformel: zwei unabhängige Arbeitsmessungen im Quotienten.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Hebe die 2-kg-Last mit dem Flaschenzug um . Miss dabei Zugkraft und Zugweg, berechne beide Arbeiten und den . Prüfe vorab die Weg-Übersetzung (vier tragende Seile: vierfacher Zugweg?).
2Vorbetrachtung
Was die goldene Regel verspricht: Vier tragende Seilstücke teilen die Last: ideal , dafür viermal Zugweg (), die ideal gleich (). Was die daraus macht: Jede der vier Rollen und jede Seilbiegung frisst etwas. Die reale Zugkraft wird über dem Idealwert liegen, der Zugweg bleibt geometrisch fixiert bei . Der Aufwand steigt, der Nutzen nicht: . Wie weit darunter, ist genau die Messfrage.
Wichtig fürs Messen: gleichmäßig langsam ziehen (sonst steckt Beschleunigungsarbeit im Aufwand) und die Zugkraft während der Bewegung ablesen (Haftreibung beim Anfahren ist höher).
3Geräte / Stoffe
Flaschenzug hängend, Last eingehängt; ein Maßstab an der Last, einer am Zugseilende (oder Markierung am Seil gegen Referenzpunkt).
Flaschenzug (4 tragende Seilstücke)
Die untersuchte Maschine: untersetzt die auf ideal ein Viertel.
Last 2,0 kg
Definierte Nutzlast; ihre mal Hub ist die Nutzarbeit.
Federkraftmesser (10 N)
Misst die tatsächliche Zugkraft: den realen Aufwand.
Zwei Maßstäbe
Messen Lasthub und Seil-Zugweg gleichzeitig.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Flaschenzug mit den vier tragenden Seilstücken nummeriert; Messpfeile für h (Last) und s (Zugende); Kraftmesser im Zugseil.
Die Bilanz jeder Maschine als Flussbild: Vom Aufwand kommt nur der Nutzanteil an; der Rest wird (meist als ) an die Umgebung abgegeben. Der ist der Nutzanteil.
Aufbau: Flaschenzug mit zwei losen und zwei festen Rollen (vier tragende Seilstücke) am Stativrahmen, Last 2,0 kg, Federkraftmesser am Zugseil, zwei Maßstäbe (Lasthub und Zugweg).
5Durchführung
Schritt 1: Weg-Übersetzung prüfen: Last 10 cm heben, Zugweg messen (Erwartung 40 cm).
Schritt 2: Hauptmessung: Last gleichmäßig um 0,50 m heben; Zugkraft während des Ziehens ablesen, Zugweg messen.
Schritt 3: Wiederholung mit halber Last (1,0 kg): Wird η besser oder schlechter?
6Beobachtung
| Größe | Wert |
|---|---|
| Weg-Prüfung: 10 cm Hub | Zugweg |
| Hub | |
| Zugweg | |
| Zugkraft (gleichmäßig) | (ideal wären ) |
| mit halber Last (1,0 kg) | (ideal ) |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Schritt 1: Beide Arbeiten.
Schritt 2: .
Elf Prozent des Aufwands (rund ) sind als Reibungswärme in Rollenlagern und Seil geblieben. Die Bilanz ist geschlossen, nur eben zu Lasten des Ziehers. Die Weg-Prüfung bestätigte nebenbei die Geometrie (Faktor 4 exakt). Die Verluste sitzen in der (5,5 statt 4,9 N), nie im Weg: fälscht Kräfte, nicht Übersetzungen.
Schritt 3: Der Lasttest zeigt Typisches: Mit halber Last sinkt η auf , denn die (etwa konstante) Rollenreibung wiegt bei kleiner Last relativ schwerer. Maschinen haben ihren besten Wirkungsgrad nahe der Auslegungslast: ein Prinzip bis hinauf zu Motoren und Kraftwerken.
8Fazit
Der Flaschenzug arbeitet mit : Von 11,0 J Zugarbeit kommen 9,81 J als an, der Rest wird Reibungswärme. Verluste sitzen in der , nicht im Weg, und wachsen relativ bei kleiner Last.
9Fehlerbetrachtung
Die η-Messung ist ein Quotient zweier Produkte: vier Messgrößen, vier Fehlerquellen:
Zugkraft schwankt beim Zieheneher zufällig
- Ursache
Ungleichmäßige Handbewegung, Stick-Slip in den Rollen.
- Auswirkung
±0,2 N Ableseband: gut 3 Prozent in .
- Verbesserung
Sehr langsam ziehen, mittleren Zeigerstand notieren, mehrfach messen.
Beschleunigungsphasen im Aufwandeher systematisch
- Ursache
Anrucken und Abbremsen der Last stecken zusätzliche ins Seil.
- Auswirkung
Aufwand zu groß gemessen: η scheinbar schlechter.
- Verbesserung
nur während gleichmäßiger Bewegung werten.
Gewicht der unteren Rollen zählt miteher systematisch
- Ursache
Der Flaschenzug hebt neben der Last auch seine losen Rollen.
- Auswirkung
Deren steckt im Aufwand, fehlt aber im verbuchten Nutzen: η wird unterschätzt (die Maschine ist besser als die Zahl).
- Verbesserung
Rollengewicht wiegen und wahlweise dem Nutzen zuschlagen; im Protokoll ausweisen.
Das Wichtigste
- Definition
: dimensionslos, meist in Prozent, immer unter 100 Prozent.
- Woher die Verluste
in Lagern und Seil wandelt einen Teil des Aufwands in : Die Bilanz geht auf, nur nicht zugunsten des Nutzers.
- Messrezept
Beide Arbeiten unabhängig messen: Nutzen als der Last, Aufwand als am Zugseil.
- Vergleichswerte
Guter Flaschenzug 85 bis 95 Prozent, E-Motor über 90, Verbrennungsmotor 30 bis 40, Muskel etwa 25 Prozent: η sortiert die Technik.