Mechanik
Kraft messen: das hookesche Gesetz
Warum eine Feder überhaupt als Messgerät taugt, wie man aus Messwerten das Kraftgesetz gewinnt und wo es aufhört zu gelten.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Wie misst man etwas, das man nicht sehen kann? Bei einer Länge ist es einfach: Man legt einen Maßstab daneben. Für eine gibt es keinen Kraftmaßstab zum Danebenhalten.
Der Ausweg ist ein Trick, den man in der ganzen Physik wiederfindet: Man misst nicht die Größe selbst, sondern eine Wirkung, die sich leicht messen lässt, und rechnet zurück. Bei der Kraft nimmt man dafür die Verformung einer Feder. Damit das funktioniert, muss zwischen Kraft und Dehnung allerdings ein verlässlicher Zusammenhang bestehen. Ob es den gibt, kann man nicht behaupten, sondern muss man messen.
Das kannst du nach diesem Kapitel
den Zusammenhang zwischen und Verlängerung einer Feder experimentell ermitteln.
Messwerte in ein Kraft-Verlängerungs-Diagramm eintragen und deuten.
das hookesche Gesetz formulieren und begründen, woher es kommt.
die Federkonstante berechnen und ihre Bedeutung erklären.
erklären, warum ein Kraftmesser überhaupt funktioniert.
die Elastizitätsgrenze beschreiben und den Gültigkeitsbereich des Gesetzes angeben.
Der Versuch
Eine Schraubenfeder wird senkrecht aufgehängt und ihre Länge im unbelasteten Zustand notiert. Dann hängt man nacheinander Massestücke an und misst jedes Mal, um wie viel die Feder länger geworden ist. Diese Verlängerung heißt (manchmal auch ).
Wichtig ist, dass man die Verlängerung misst und nicht die Gesamtlänge: Der Zusammenhang gilt für das, was zur Ausgangslänge dazukommt.
Eine typische Messreihe:
| in N | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| in cm | 0 | 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10,0 | 12,5 |
Lies die Dehnungen ab, bevor du weiterliest: 2 cm, 4 cm, 6 cm bei 1 N, 2 N, 3 N. Die doppelte ergibt die doppelte Dehnung, die dreifache die dreifache. Das ist die Beobachtung, aus der gleich das Gesetz wird.
Was die Messwerte zeigen
Zwei Beobachtungen springen ins Auge:
- Doppelte ergibt doppelte Verlängerung, dreifache Kraft dreifache Verlängerung. Kraft und Verlängerung sind proportional.
- Ohne Kraft ist die Verlängerung null. Im Diagramm ( nach oben, nach rechts) liegen die Punkte deshalb auf einer Ursprungsgeraden.
Proportionalität heißt: Der Quotient aus beiden Größen ist immer derselbe. Rechnen wir nach:
Tatsächlich immer .
Dieselben Messwerte als Diagramm. Zwei Dinge sind wichtig: Die Punkte liegen auf einer Geraden, und diese Gerade geht durch den Ursprung, ohne gibt es keine Dehnung. Ihre Steigung, hier über das Steigungsdreieck abgelesen, ist die Federkonstante D.
Das Gesetz entsteht
Dieser gleichbleibende Quotient ist eine Eigenschaft dieser einen Feder. Man gibt ihm einen Namen, die Federkonstante (auch Federhärte genannt):
Stellt man um, steht das Gesetz da, das Robert Hooke 1678 veröffentlichte:
🔴 Wichtig zur Einordnung: Das ist kein Naturgesetz wie die Energieerhaltung, das überall und immer gilt. Es ist die zusammengefasste Beschreibung eines beobachteten Verhaltens, und zwar nur innerhalb eines bestimmten Bereichs (siehe unten). Man hat es nicht hergeleitet, man hat es gemessen.
Was die Federkonstante bedeutet
liest man wörtlich: Für jeden Zentimeter Verlängerung braucht man .
- Eine große Federkonstante bedeutet eine harte Feder (viel für wenig Dehnung), etwa eine Autofederung mit rund .
- Eine kleine Federkonstante bedeutet eine weiche Feder, etwa ein Kugelschreiberfederchen.
Im Diagramm ist die Steilheit der Geraden: Je steiler, desto härter die Feder. Zwei Federn kann man so ohne Rechnung vergleichen.
Die SI-Einheit ist , im Schulversuch rechnet man oft bequemer in . Umrechnung: , weil ein Meter hundert Zentimeter hat.
Warum ein Kraftmesser funktioniert
Jetzt lässt sich die Ausgangsfrage beantworten. Ein Federkraftmesser ist nichts weiter als eine Feder mit bekanntem und einer Skala daneben. Weil die Verlängerung der proportional ist, sind die Skalenstriche gleichmäßig verteilt. Man liest die Verlängerung ab, das Gerät rechnet sie durch seine Beschriftung schon in Newton um.
Das erklärt auch zwei praktische Dinge:
- Ein Kraftmesser muss vor der Messung auf null gestellt werden (Tara), sonst misst man die Dehnung durch das Eigengewicht des Hakens mit.
- Ein Kraftmesser gilt nur für eine Richtung, nämlich längs der Feder. Zieht man schräg, misst man nicht die volle Kraft.
Wo das Gesetz aufhört zu gelten
Belastet man immer weiter, bleiben die Messpunkte irgendwann nicht mehr auf der Geraden. Ab einer bestimmten passieren zwei Dinge:
- Die Verlängerung wächst stärker als proportional, die Kurve knickt ab.
- Nach dem Entlasten kehrt die Feder nicht in ihre Ausgangslänge zurück, sie ist bleibend verformt.
Die Grenze heißt Elastizitätsgrenze. Unterhalb davon verhält sich die Feder elastisch (Verformung geht vollständig zurück), oberhalb plastisch (Verformung bleibt).
Deshalb steht auf jedem Kraftmesser ein Messbereich, zum Beispiel „ bis ". Wer ihn überschreitet, misst nicht nur falsch, sondern zerstört das Gerät dauerhaft: Nach dem Überdehnen zeigt es auch bei kleinen Kräften nie wieder richtig an.
Jenseits des gelben Punktes dehnt sich die Feder stärker, als das Gesetz vorhersagt. Die gestrichelte Linie zeigt, wo sie nach F = D · s liegen müsste. Kein Gesetz der Physik gilt ohne Bereich, in dem es gilt.
Federkonstante aus einer Messreihe bestimmen
Eine Feder verlängert sich unter einer von um .
a) Berechne die Federkonstante in und in .
b) Wie weit dehnt sie sich unter ?
c) Welche Kraft gehört zu einer Verlängerung von ?
- 1
a) Federkonstante berechnen. Sie ist der Quotient aus Kraft und Verlängerung:
- 2
In die SI-Einheit umrechnen. Ein Meter hat hundert Zentimeter, also braucht man für einen Meter Dehnung das Hundertfache:
- 3
b) Nach umstellen und einsetzen:
Kontrolle über die Proportionalität: ist etwa das -fache von , und ist das -fache von . Passt.
- 4
c) Direkt einsetzen:
Die Einheit cm kürzt sich weg, übrig bleibt N. Wieder die eingebaute Kontrolle.
; bei dehnt sie sich um , bei Dehnung wirken . Vorbehalt: Alle drei Ergebnisse gelten nur, solange die Elastizitätsgrenze nicht überschritten ist.
Eine Messreihe auswerten und die Grenze finden
Eine Gruppe misst an einer Feder:
| in N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| in cm | 1,6 | 3,2 | 4,8 | 6,4 | 8,6 | 11,5 |
Bestimme die Federkonstante und beurteile die Messreihe.
- 1
Für jeden Messpunkt den Quotienten bilden. Nur wenn er gleich bleibt, liegt Proportionalität vor:
in N 1 2 3 4 5 6 in cm 1,6 3,2 4,8 6,4 8,6 11,5 in N/cm 0,63 0,63 0,63 0,63 0,58 0,52 - 2
Das Muster lesen. Bis ist der Quotient konstant . Ab sinkt er deutlich. Das heißt: Die Feder dehnt sich dort stärker, als das Gesetz vorhersagt.
- 3
Die Grenze benennen. Genau dieses Abknicken ist das Kennzeichen der Elastizitätsgrenze. Sie liegt bei dieser Feder zwischen und .
- 4
Federkonstante nur aus dem gültigen Bereich bestimmen:
Die Punkte bei und dürfen dafür nicht verwendet werden. Wer über alle sechs Punkte mittelt, mischt zwei verschiedene Verhaltensweisen und bekommt eine Zahl, die für keinen der beiden Bereiche stimmt.
- 5
Praktische Folge. Die Feder wurde überdehnt und ist mit hoher Wahrscheinlichkeit bleibend verformt. Für weitere Messungen muss man ihre Federkonstante neu bestimmen oder sie austauschen.
, gültig bis etwa . Die letzten beiden Messpunkte liegen jenseits der Elastizitätsgrenze und gehören nicht in die Auswertung. Sie sind aber trotzdem wertvoll, weil sie die Grenze überhaupt erst sichtbar machen.
Typischer Fehler
„Die Feder ist lang, wenn ich anhänge. Also ist ."
Hier wird die Gesamtlänge statt der Verlängerung eingesetzt. Im hookeschen Gesetz steht für das, was durch die dazugekommen ist.
Der Denkfehler wird sichtbar, wenn man ihn zu Ende denkt: Ohne jede Kraft ist die Feder vielleicht lang. Nach dieser Rechnung müsste an ihr ziehen, obwohl gar nichts dranhängt.
Richtig: Erst die unbelastete Länge messen, dann die belastete Länge , und
Merkhilfe: Die Gerade im Diagramm geht durch den Ursprung. Ohne Kraft keine Verlängerung. Wer die Gesamtlänge nimmt, verschiebt die Gerade und macht aus der Proportionalität etwas anderes.
Übung 1
leichtEine Feder hat die Federkonstante .
a) Wie weit dehnt sie sich unter einer von ?
b) Welche Kraft gehört zu einer Dehnung von ?
Tipp anzeigen
Achte auf die Einheiten: ist hier in angegeben.
Lösung anzeigen
a)
b) Erst umrechnen, damit die Einheiten zusammenpassen:
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht mit Blick auf die Einheiten
Gegeben: . Gesucht: a) die Dehnung bei , b) die Kraft bei . Die Federkonstante ist hier je Meter angegeben. Das ist die entscheidende Beobachtung für Teil b).
- 2
Das hookesche Gesetz und was es voraussetzt
Im elastischen Bereich ist die Dehnung der Kraft proportional: doppelte Kraft, doppelte Dehnung. In Formeln , wobei angibt, wie viel Kraft je Meter Dehnung nötig ist.
- 3
a) Nach der Dehnung umstellen
Gesucht ist , gegeben sind und . Aus wird durch Teilen durch : .
- 4
a) Dehnung berechnen
Kraft durch Federkonstante teilen; das Ergebnis kommt in Metern heraus und lässt sich anschaulich in Zentimeter umschreiben.
Zwischenergebnis
- 5
b) Erst die Länge angleichen
ist je Meter angegeben, die Dehnung steht in Zentimetern. Vor dem Einsetzen wird deshalb umgerechnet: .
Zwischenergebnis
- 6
b) Kraft berechnen
Jetzt lässt sich direkt anwenden; die Meter kürzen sich weg und es bleibt Newton.
Zwischenergebnis
- 7
Beide Teilergebnisse gegeneinander prüfen
dehnen die Feder um , um . Beide Wertepaare liegen im selben Verhältnis, die Proportionalität zeigt sich also in den eigenen Ergebnissen.
Übung 2
mittelEine unbelastete Feder ist lang. Mit einem angehängten Körper misst man . Die Federkonstante beträgt .
a) Wie groß ist die , mit der der Körper an der Feder zieht?
b) Welche hat der Körper ungefähr ( entspricht etwa )?
c) Wie lang wäre die Feder mit einem Körper doppelter Masse?
Tipp anzeigen
a) Zuerst die Verlängerung ausrechnen, nicht die Gesamtlänge einsetzen.
Lösung anzeigen
a) Verlängerung:
b)
c) Doppelte Masse bedeutet doppelte Kraft, also :
Gesamtlänge: .
Vorbehalt: Das gilt nur, wenn noch unter der Elastizitätsgrenze liegen. Die Aufgabe sagt darüber nichts; in der Praxis müsste man das prüfen, bevor man die Antwort ernst nimmt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht, zwei Längen, aber nur eine Dehnung
Gegeben: Ruhelänge , belastete Länge und . Gesucht: a) die Kraft, b) die Masse, c) die Länge bei doppelter Masse. Die Dehnung steht nicht da. Sie ist die Differenz der beiden Längen.
- 2
a) Das hookesche Gesetz mit der Verlängerung
Es gilt , wobei die Verlängerung gegenüber der unbelasteten Feder ist. Hier ist je Zentimeter angegeben, die Längen liegen also schon passend vor.
- 3
a) Verlängerung und Kraft
Zuerst die Differenz der Längen, dann mit der Federkonstanten multiplizieren.
;
Zwischenergebnis
- 4
b) Von der Kraft zur Masse
Der Körper zieht mit seiner , also . Gesucht ist die Masse, deshalb wird nach umgestellt: .
- 5
b) Masse berechnen
Kraft durch Ortsfaktor teilen; die Newton kürzen sich, übrig bleiben Kilogramm.
Zwischenergebnis
- 6
c) Doppelte Masse: erst die Dehnung, dann die Gesamtlänge
Doppelte Masse bedeutet doppelte Gewichtskraft, also . Daraus folgt die Dehnung, und erst die Ruhelänge dazu ergibt die Gesamtlänge.
;
Zwischenergebnis
- 7
Ergebnis prüfen und deuten: ein Vorbehalt gehört dazu
gelten nur, wenn noch unter der Elastizitätsgrenze dieser Feder liegen. Die Aufgabe sagt darüber nichts, die Antwort ist also eine Rechnung unter Vorbehalt, keine Voraussage.
Übung 3
schwerZwei Federn werden vermessen:
| in N | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 |
|---|---|---|---|---|
| in cm (Feder A) | 2,0 | 4,0 | 6,0 | 8,0 |
| in cm (Feder B) | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 |
a) Bestimme und .
b) Welche Feder ist härter? Woran erkennt man das im Diagramm?
c) Beide Federn werden hintereinander gehängt (erst A, unten dran B) und mit belastet. Wie groß ist die Gesamtverlängerung?
d) Berechne daraus die Federkonstante der Kombination und vergleiche sie mit und .
Tipp anzeigen
c) Durch beide Federn zieht dieselbe von . Warum?
Lösung anzeigen
a) und
(Man kann jeden Messpunkt nehmen, alle liefern denselben Wert. Genau das belegt die Proportionalität.)
b) Feder B ist härter, ihre Federkonstante ist viermal so groß. Im Diagramm erkennt man das an der steileren Geraden: Für dieselbe Dehnung braucht man mehr Kraft.
c) Hängt B unter A, so trägt A das gesamte angehängte Gewicht, und B ebenfalls. Durch beide Federn zieht also dieselbe Kraft . (Anders gesagt: Die Kraft wird längs der Kette weitergegeben, nicht aufgeteilt.) Damit dehnt sich jede Feder so, als hinge sie allein:
d)
Die Kombination ist weicher als jede Einzelfeder. Das klingt zunächst überraschend, ist aber logisch: Beide Dehnungen addieren sich, während die Kraft dieselbe bleibt. Bei einer größeren Dehnung für dieselbe Kraft muss die Federkonstante kleiner sein.
Wer mag, prüft die allgemeine Regel nach: , also . Dieselbe Struktur trifft man in Klasse 8 bei parallel geschalteten elektrischen Widerständen wieder.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Die Messtabelle lesen
Zu jeder Kraft gehören zwei Dehnungen: Feder A dehnt sich bei um , Feder B nur um . Gesucht sind und , ein Härtevergleich und die Kombination beider Federn.
- 2
a) Die Federkonstante als Kraft je Zentimeter
gibt an, wie viel Kraft für einen Zentimeter Dehnung nötig ist. Aus folgt deshalb . Man darf jedes Wertepaar der Tabelle nehmen.
- 3
a) Beide Federkonstanten
Kraft durch Dehnung, für jede Feder getrennt.
;
Zwischenergebnis
,
- 4
b) Welche Feder ist härter?
Feder B: Ihre Federkonstante ist viermal so groß, für dieselbe Dehnung braucht man viermal so viel Kraft. Im Diagramm erkennt man das an der steileren Geraden.
- 5
c) Hintereinander: dieselbe Kraft in beiden Federn
Hängt B unter A, so trägt A das ganze angehängte Gewicht und B ebenfalls, die Kraft wird längs der Kette weitergegeben, nicht aufgeteilt. Jede Feder dehnt sich also so, als hinge sie allein.
;
Zwischenergebnis
- 6
d) Die Federkonstante der Kombination
Die Kombination wird wie eine einzige Feder behandelt: erzeugt Dehnung.
Zwischenergebnis
- 7
Ergebnis deuten: eine Struktur, die wiederkommt
Reihenschaltung von Federn macht das Ganze weicher, obwohl man zwei Federn statt einer benutzt. Der Grund ist immer derselbe: gleiche Kraft, addierte Wege.
Zusammenfassung
misst man über eine Wirkung, die sich leicht ablesen lässt: die Verlängerung einer Feder. Der Versuch zeigt, dass diese Verlängerung der Kraft proportional ist, dass also der Quotient konstant bleibt. Dieser Quotient ist die Federkonstante , und mit ihr lautet der Zusammenhang . Ein großes gehört zu einer harten Feder und zeigt sich als steile Ursprungsgerade im Diagramm. Genau auf dieser Proportionalität beruht der Federkraftmesser mit seiner gleichmäßigen Skala. Das Gesetz ist allerdings kein Naturgesetz, sondern die Beschreibung eines gemessenen Verhaltens, und es endet an der Elastizitätsgrenze: Darüber dehnt sich die Feder stärker als vorhergesagt und bleibt bleibend verformt.


