Dehnung einer Schraubenfeder
Fachbezug
Diagramme verwenden. Kraft als Ursache einer Verformung. Hookesches Kraftgesetz.
Aufgabe
Die Belastung einer Schraubenfeder durch Gewichtsstücke zeigt (in einem schönen Schülerexperiment - vgl. die nebenstehende Abbildung), dass die Dehnung der Gewichtskraft direkt proportional ist. Achte dabei darauf, dass die Feder nicht überlastet wird!
In der folgenden Animation soll die direkte Proportionalität zwischen der Kraft, die an der elastischen Feder angreift, und der Dehnung der Feder untersucht werden. Was passiert, wenn man zu stark an der Feder zieht?
Bitte warte ab, bis die Animation zur Gänze geladen wurde.
Aktivitäten
An einer senkrechten Schraubenfeder ist ein Massenstück befestigt, das sich reibungsfrei (Hinweis) bewegt. Du kannst die Schraubenfeder dehnen (verlängern) oder stauchen (verkürzen), wenn du das blaue Massenstück mit der Maus bewegst.
Beachte dabei: Ziehst du beim Dehnen der Feder das Massenstück nach rechts, so tritt eine Verformung in der positiven Koordinatenrichtung auf; die Werte für die Dehnung haben ein positives Vorzeichen. Stauchst du die Feder, so erhalten die Werte für die Dehnung ein negatives Vorzeichen. Für die Federkraft gilt: Bei der Dehnung der Feder (nach rechts) wirkt die Federkraft nach links gegen die Dehnung; die Kraft ist somit negativ. Beim Stauchen der Feder drückt die Feder nach rechts - das Vorzeichen für diese Kraft ist positiv.
- Die im Diagramm horizontal angezeigte Kraft ist umso größer, je weiter die Feder gedehnt wird. Achtung: Die Feder darf um höchstens 7 cm gedehnt werden!
- In welchem Kraftbereich und in welchem Längenbereich ist das Hooke'sche Gesetz gültig? Lies die dazu notwendigen Werte aus den Diagrammen oder aus der Tabelle ab (Hinweis: Die Gitternetzlinien für das Verschieben des Massenpunktes liegen 1 cm von einander entfernt)!
- Berechne die Federkonstante D! Lies die dazu notwendigen Informationen aus den Diagrammen oder aus der Tabelle ab!
- Was passiert bei großen Zugkräften?
- Was passiert bei zu hoher Stauchung?
- Nach dem "Start" schwingt das Massenstück an der Feder hin und her (harmonische Bewegung). Vergleiche dies mit dem Realexperiment und nenne ähnliche Schwingungsvorgänge aus dem Alltag!
Weblinks
Physlet® - Davidson-College, W.Christian, M.Belloni, P.Krahmer et.al.