Kraftmessung

Guten Tag und herzlich willkommen bei dem wichtigen Thema der Physik, die Messung von Kräften. Kräfte sind der hauptsächliche Gegenstand der Mechanik. Überall in der Physik finden wir mechanische Kräfte und wir wüssten natürlich gerne, wie man diese Kräfte messen kann. Als Grundlage solltet ihr euch schon mit der Federkraft und dem Hooke'schen Gesetz auseinandergesetzt haben. Wir werden die Grundlagen hier am Anfang aber noch einmal kurz wiederholen. Im Anschluss werden wir uns dann die Funktionsweise eines Federkraftmessers überlegen. Ich werde euch den Aufbau und das Arbeitsprinzip erläutern und euch zum Schluss ein paar Anwendungsmöglichkeiten von Federkraftmessern näherbringen. Ihr solltet dann in der Lage sein, zu verstehen, wie man mit einer einfachen Feder nahezu jede beliebige Kraft messen kann. Beginnen wir also die spannende Entdeckungsreise. Die Federkraft beschreibt die Kraft, die nötig ist, um eine technische Schraubenfeder auszulenken. Als Auslenkung wird dabei der Längenunterschied der Feder zur Ruhelänge bezeichnet, also zur Federlänge ohne äußere Krafteinwirkung. Die Feder ist immer bestrebt, in ihre Ruhelage zurückzukehren; es muss also eine Kraft wirken, um sie auszulenken. Der konkrete Zusammenhang zwischen Auslenkung und Federkraft wird durch das Hooke'sche Gesetz beschrieben; es lautet: FF, also die Federkraft, ist gleich D mal x. Hierbei ist x die Auslenkung der Feder, D bezeichnet die Federkonstante, die aussagt, wie stark beziehungsweise steif die Feder ist, ihre Einheit ist Newton pro Meter. Zeichnet man die Federkraft über die Auslenkung in ein Diagramm, so sieht man, dass es sich bei dem Hooke'schen Gesetz um eine proportionale Zuordnung handelt. Der Anstieg der Geraden ist genau die Federkonstante D. Man sieht auch, dass keine Kraft wirkt, wenn die Auslenkung 0 ist, denn so war ja genau die Ruhelänge und somit die Auslenkung definiert. Im Weiteren werden wir also dieses Gesetz verwenden, um unsere Kräfte zu bestimmen. Überlegen wir uns also einen simplen Aufbau für einen Federkraftmesser. Alles, was wir benötigen, ist eine Feder mit bekannter Federkonstante und ein Rohr, das an einer Seite geschlossen ist und möglichst die gleiche Länge hat, wie die verwendete Feder in ihrer Ruhelage. Nun befestigen wir die Feder an der geschlossenen Seite innerhalb des Rohres. Zur weiteren Veranschaulichung wollen wir die Gewichtskraft messen, die auf einen Stein wirkt. Alles, was wir tun müssen, ist, den Stein an das freie Ende der Feder zu hängen. Die Gewichtskraft wirkt auf den Stein und dieser zieht an der Feder. Die Feder wird also gedehnt. Das Stück der Feder, das nun aus dem Rohr hinausragt, entspricht genau der Auslenkung der Feder. In unserem Beispiel soll die Auslenkung vier Zentimeter betragen, die verwendete Feder soll einer Federkonstanten von 200 Newton pro Meter entsprechen. Nun lässt sich nach dem Hooke'schen Gesetz die Gewichtskraft des Steines berechnen, denn diese ist betragsgleich mit der Federkraft. Wir erhalten also die Federkraft F=200N/m*0,04m, also 4 Zentimeter. Die Gewichtskraft des Steines beträgt somit 8 Newton. Meistens ist an einem Federkraftmesser bereits eine Skala angebracht, auf der man die Auslenkung sofort ablesen kann. Das Rohr ist natürlich undurchsichtig. So sieht man lediglich den ausgelenkten Teil der Feder, also der Teil, der aus dem Rohr herausragt. Ähnlich wie bei einem Lineal muss man lediglich den Wert der Skala ablesen, der sich am Rand des Rohrs befindet. Da sich die Federkonstante einer konkreten Feder nicht ändert ist das Hooke'sche Gesetz meist in dieser Skala schon verrechnet, sodass man nicht die Auslenkung, sondern direkt die entsprechende Kraft auf dem Federkraftmesser ablesen kann. In unserem Beispiel mit dem Stein würde man also direkt 8N ablesen können. Ein Federkraftmesser ist damit sehr einfach zu bedienen und bleibt dennoch unglaublich vielseitig. Damit ihr eine bessere Vorstellung bekommt, habe ich hier mal ein Bild eines Federkraftmessers abgebildet. Ihr seht deutlich die Skaleneinteilung durch rote und weiße Streifen. Jeder einzelne dieser Streifen entspricht bei unserem Beispiel einem Newton. Ihr könnt also einfach die Streifen zählen, die ihr seht, und erhaltet so die Gesamtkraft. Es können noch andere Einteilungen vorgenommen werden. Auf dem Kraftmesser steht meistens, wie viele Newton ein Streifen bedeutet. Würde man das Gewicht abhängen, so würde die Feder mit der Skala wieder in das Rohr zurückfahren und eine Kraft von 0N anzeigen. Zum Abschluss will ich euch ein paar Anwendungsbereiche von Kraftmessern zeigen; denn genau wie man eigentlich die Auslenkung einer Feder misst, wenn man die Kraft bestimmen will, werden Kräfte meist nur betrachtet, um andere Größen zu messen. So kann man aus unserem Beispiel mit dem Stein am Federkraftmesser die Masse des Steines errechnen; man würde erfahren, dass unser Stein circa 800 Gramm wiegt. Auf diese Weise funktionieren die meisten handelsüblichen Waagen. Man kann aber auch eine Art Segel an der Feder des Federkraftmessers befestigen. Bläst der Wind nun in dieses Segel, so wirkt dadurch eine Kraft; mit dieser Kraft kann man die Windgeschwindigkeit bestimmen. Ähnlich machen es auch die Meteorologen vom Wetterbericht. Hierbei treten in der Regel viel größere Kräfte auf als bei einem 800 Gramm Stein; man nimmt deswegen Federkraftmesser, die eine viel höhere Federkonstante besitzen. Es ist also nicht jeder Kraftmesser für jede Kraftmessung sinnvoll. Es ist auch möglich, mit Hilfe von Kräften die Stärke von elektrischen Ladungen und ihren Strömen zu bestimmen. Oder man misst einfach seine eigene Muskelkraft. Ihr seht also, was für ein super Gerät wir mit unserem Federkraftmesser entwickelt haben. Ich wünsche euch noch viel Spaß und bis zum nächsten Mal. Euer Philip Physik.