Federkraft

Guten Tag und willkommen beim Lernvideo zum Thema Federkraft. In dieser Lerneinheit werde ich euch ein paar Dinge rund um die technische Feder und derer Verwendung erklären. Als Grundlage solltet ihr euch schon über die physikalische Kraft allgemein sowie über die Länge als physikalische Größe informiert haben. Beginnen werden wir mit einer kurzen Klärung, was eigentlich eine Feder im technisch physikalischen Sinne ist und was sie ausmacht. Danach versuchen wir kurz zu verstehen, was es bei Federn für einen Zusammenhang zwischen der wirkenden Kraft und der Auslenkung gibt. Der letzte Punkt spricht dann die Verwendung von solchen Federn an. Wir werden uns hier ansehen, wie man mithilfe einer einfachen Feder ein Messgerät für physikalische Kräfte konstruieren kann. Doch beginnen wir am Anfang. Federn gibt es überall. Sie sind in Kopfkissen, an Hühnern und auf Hüten. Doch über derartige Federn reden wir hier nicht. Es geht um die physikalische, technische Feder. Definieren kann man eine solche Feder schlecht. Generell muss eine Feder sich unter Krafteinwirkung lediglich verformen und anschließend wieder in ihre Ursprungsform zurückkehren. Die üblichste Variante einer Feder ist die Schraubenfeder. Sie sieht etwa so aus und ist meistens aus Metall gefertigt. Wie gewünscht, kann man sie zusammendrücken oder auseinanderziehen und dabei spürt man bereits eine entgegenwirkende Kraft. Lässt man sie wieder los, so begibt sich die Feder in ihre Ursprungsform. Im Folgenden werden wir also weiter über solche Schraubenfedern reden. Versuchen wir nun also einmal den Zusammenhang zwischen der Kraft auf die Feder und der Auslenkung zu bestimmen. Hierfür sollten wir aber zuerst einmal klären, was mit Auslenkung überhaupt gemeint ist. Jede Schraubenfeder hat eine gewisse Grundlänge. Die kann zum Beispiel 5 cm lang sein. Zieht nun eine Kraft an der Feder, so wird sie länger. Sie wächst von 5 auf 7 cm Länge. Man interessiert sich nun aber nicht für die 7 cm Gesamtlänge, sondern lediglich für den kleinen Teil, den die Feder länger ist als sie es ohne Krafteinwirkung war. Also quasi welches Wegstück das Ende der Feder verschoben ist. Dieser Teil ist 7 minus 5, also 2 cm lang. Man sagt, die Feder ist 2 cm ausgelenkt. Die Auslenkung ist also der Unterschied der Federlänge zur Ruhelage, die eine Feder ohne Krafteinwirkung einnimmt. Um genau diese Auslenkung soll es nun weiterhin gehen. Stellen wir uns erneut eine Feder vor. Da wir nur die Auslenkung betrachten, ist ihre konkrete Länge unwichtig. Wir lassen nun gewisse Kräfte auf sie wirken. Zum Anfang ziehen wir zum Beispiel mit einer Kraft von 5 Newton an der Feder und beobachten eine Auslenkung von 3 cm. Verdoppeln wir die Kraft auf 10 Newton, so messen wir eine Auslenkung von 6 cm. Also ebenfalls doppelt so viel wie vorher. Verdreifachen wir die Kraft auf 5 mal 3, also 15 Newton, so messen wir auch die dreifache Auslenkung. Also 3 mal 3 gleich 9 cm. In einer kleinen Tabelle lässt sich dieses Vorgehen gut veranschaulichen. Das Prinzip ist übrigens dasselbe beim Zusammendrücken der Feder. Drücken wir sie also mit einer Kraft von 5 Newton zusammen, so lenkt sie sich um 3 cm aus, nur diesmal natürlich in die andere Richtung. Bei 10 Newton lenkt sie sich daher auch um 6 cm aus und so weiter und so fort. Wir sehen also, verdoppeln wir die Kraft, so verdoppelt sich auch die Auslenkung. Nehmen wir die Kraft mal drei, so müssen wir auch die resultierende Auslenkung mit drei multiplizieren. Dieses Spiel funktioniert mit jeder beliebigen Zahl. Natürlich nur solange, bis die Feder überdehnt wird. Wie weit sich die Feder genau auslenkt bei einer wirkenden Kraft, hängt von der Stärke der verwendeten Feder ab. Bei unserem Beispiel betrug die Auslenkung 3 cm pro 5 Newton Krafteinwirkung. Dieses Phänomen können wir nun nutzen, um uns einen einfachen Kraftmesser zu bauen. Alles, was wir benötigen, ist ein dünnes Rohr mit einer geschlossenen Seite und eine Feder, deren Ruhelänge genau der Länge des Rohres entspricht. Diese Feder befestigen wir in dem Rohr an der geschlossenen Seite. Nun können wir die Feder an zum Beispiel einem Stein befestigen, um die auf ihn wirkende Gewichtskraft zu bestimmen. Der Stein zieht nun an der Feder und lenkt diese ein Stück weit aus, je nachdem wie groß die Gewichtskraft ist, die auf ihn wirkt. Messen wir nun die Auslenkung der Feder, also wieweit sie nun aus dem Rohr guckt, so können wir die wirkende Kraft auf den Stein bestimmen. Alles, was wir wissen müssen, ist zum Beispiel die Auslenkung der Feder bei einer Kraft von 1 Newton. Meistens ist natürlich schon im Vorfeld eine Art von Skala direkt an dem Rohr angebracht, um die Auslenkung ganz einfach ablesen zu können. Ein solches Gerät nennt man Federkraftmesser. Man kann mit ihm fast jede beliebige Kraft bestimmen. Einfach, indem man die Auslenkung der Feder misst. Ich wünsche euch noch einen schönen Tag und viel Spaß beim eigenen Experimentieren mit Federn. Euer Philip Physik