Der Federkraftmesser.

1.) Funktionsweise eines Federkraftmessers.

Federkraftmesser dienen dazu, die Größe (den Betrag) einer Kraft zu messen.
In der nachfolgenden Darstellung siehst Du das Foto eines Federkraftmessers, wie er in der Schule verwendet wird, sowie eine interaktive Schnittdarstellung.

Bild eines Federkraftmessers

Die Animation in der Mitte zeigt einen Federkraftmesser im Schnittbild.

Gehe mit der Maus auf den schwarzen Punkt. Der Mauszeiger verändert sich zur Hand.
Bei gedrückter linker Maustaste kannst Du nun am Federkraftmesser "ziehen".
Die Koordinaten der Maus werden in einem gelben Feld unten eingeblendet.

Erkläre, wie der Federkraftmesser aufgebaut ist.
Wie funktioniert er?

2.) Schraubenfedern haben ein besonderes Verhalten.

Hier kannst Du die Kraft, die auf den Federkraftmesser einwirken soll, mit einem Auswahlfeld verändern. Klicke auf den Pfeil und Wähle einen Wert aus der Liste aus.

Beachte, wie sich die Länge des Kraftpfeiles und die Verlängerung der Feder verändern.

Vergleiche die Verlängerung der Feder bei 2 N , 4N, 6 N!
Was fällt auf?

Du kannst Deine Vermutung auch überprüfen, indem Du auf die Mitte des grünen Punktes klickst. Du bekommst die Koordinaten angezeigt. Die zweite Zahl ist die y-Koordinate der Maus, also die Verlängerung.
Warum steht ein Minusvorzeichen vor der Zahl?

Dieses besondere Verhalten haben nur Schraubenfedern, sofern man sie nicht überdehnt.
Ein Gummiband würde sich z.B. nicht proportional zur einwirkenden Kraft verlängern, es wäre daher für einen Federkraftmesser weniger geeignet.

 

Kraft (in N)

3.) Die verwendete Feder bestimmt den Messbereich des Federkraftmessers.

Meist sind Federkraftmesser so gebaut, dass man sie gar nicht über den vorgesehenen Messbereich hinaus verlängern kann. Ein Anschlag verhindert das weitere Herausziehen der Hülse.

Beim Federkraftmesser aus der Simulation (und dem Original aus dem Foto) bewirkt eine Kraft von 1,0 N gerade eine Verlängerung um 1,0 cm. Bei einer Kraft von 10,0 N wird er um 10,0 cm verlängert - und er ist am Anschlag.

Wenn eine Kraft von 20,0 N oder 50,0 N wirken würde, wäre der Federkraftmesser auch am Anschlag.
Wir können dann also gar nicht sagen, ob eine Kraft von 10,0 N angezeigt wird, oder ob die Kraft noch viel größer ist.

Umgekehrt würde eine sehr kleine Kraft, von z.B. 0,05 N diesen Federkraftmesser gar nicht erkennbar verlängern, obwohl die Kraft nicht 0 ist!
Für so kleine Kräfte ist dieser Federkraftmesser viel zu unempfindlich.

Federkraftmesser für verschiedene Bereiche

Daher gibt es unterschiedliche Federkraftmesser für unterschiedlich große Kräfte.
Sie unterscheiden sich durch die verwendete Feder.

  • Ein Federkraftmesser für kleine Kräfte hat eine sehr "weiche" Feder, meist aus sehr dünnem Draht.
    Er ist sehr empfindlich, für große Kräfte aber nicht geeignet
    (rechts im Foto).

  • Ein Federkraftmesser für große Kräfte hat eine "harte" Feder, meist aus dickem Draht, eingebaut.
    Kleine Kräfte kann er nicht anzeigen, er ist nur für große Kräfte geeignet
    (links im Foto).
Physlets am Davidson College

Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA ( externer Link Copyright Hinweise)
© Javascript dieses Problems : Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg