Versuchsaufbau als Demonstrationsversuch
Obere und untere Schnur sind aus identischem Material. Die Sicherung muss kräftig genug sein.
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Benötigtes Material für Heimversuch
- Haken an der Decke, Türklinke oder stabiler Ast
- Faden oder Schnur, den man mit der Hand auseinander reißen kann (Länge: ca. \(2\,\rm{m}\))
- schwerer Gegenstand, z.B. Holzklotz oder Gewichtstück (\(0{,}5\,\rm{kg}\) - \(1\,\rm{kg}\))
Aufbau und Durchführung
Ein \(1\,\rm{m}\) langer Faden wird an einer festen Aufhängung angebracht, die sich mindestens \(1\,\rm{m}\) über dem Boden befindet. In der Mitte des Fadens wird ein schwerer Gegenstand befestigt, indem man den Faden um den Gegenstand wickelt und verknotet. Falls es möglich ist, kann man auch je einen \(50\,\rm{cm}\) langen Faden oben und unten an den Gegenstand binden.
Achtung: Als Vorsichtsmaßnahme sollte man unter den Klotz am Boden eine Matte legen und außerdem aufpassen, dass der Gegenstand nicht auf die Füße des ziehenden oder eines Zusehers fällt.
Beobachtung
Zieht man langsam am unten herabhängenden Faden nach unten, so reißt der Faden oberhalb des Gegenstands. Zieht man bei derselben Anordnung ruckartig am unteren Faden, so reißt der Faden unterhalb des Gegenstands.
Erklärung
Auf den oberen Faden wirkt immer die Gewichtskraft \(F_{\rm{G}}\) des Gegenstandes. Beim langsamen Ziehen kann man die Situation quasi als Abfolge statischer Zustände beschreiben, bei dem Beschleunigungen keine Rolle spielen: Auf den unteren Faden wirkt nur die Zugkraft \(F_{\rm{Zug}}\) der Hand. Auf den oberen Faden wirken nun sowohl die Gewichtskraft \(F_{\rm{G}}\) des Gegenstandes als auch die Zugkraft \(F_{\rm{Zug}}\), insgesamt ist also \(F_{\rm{oben}}=F_{\rm{G}}+ F_{\rm{Zug}}\). Bei genügend großer Zugkraft \(F_{\rm{Zug}}\) reist daher der obere Faden, da er die größere Kraft \(F_{\rm{oben}}\) vermitteln muss.
Beim schnellen Ziehen handelt es sich um einen komplexen dynamischen Prozess. Hier müssen Beschleunigungen berücksichtigt werden. Beim schnellen Ziehen erhält der untere Faden eine sehr große Beschleunigung (kleine Masse). Der Gegenstand mit großer Masse erfährt nach dem 2. Newtonschen Gesetz eine deutlich kleinere Beschleunigung, sodass der untere Faden schnell bis zum Zerreißen gedehnt wird. Der obere Faden wird dabei weniger stark gedehnt, da seine Dehnung von der Bewegung der großen Masse abhängt.
Hinweis: Das Experiment kann auch mittels Messwerterfassungsprogramm untersucht werden. Dazu werden entsprechende Kraftmesser (Messbereich mind. \(50\,\rm{N}\)) an der großen Masse, der Halterung oben oder dem Faden unten montiert.