Direkt zum Inhalt

Aufgabe

Schraubenfeder

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Skizze zur Aufgabe

Hakt man eine Kugel an eine entspannte Schraubenfeder, die an einem Stativ hängt, und lässt die Kugel los, so zieht sie die Feder um das Doppelte der Strecke nach unten, die sich ergibt, wenn man die Kugel langsam mit der Hand nach unten führt, bis sie ihre Gleichgewichtslage, an der Feder hängend, erreicht hat.

Begründe diese Lösung mit einer Energiebetrachtung für den Fall der losgelassenen Kugel und einer Kräftebetrachtung für den Fall der langsam geführten Kugel.

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken

1. Die angehängte Kugel wird losgelassen:

Die Kugel fällt um die Strecke h; dabei wandelt sich die potenzielle Energie \( E_{pot} = m \cdot g \cdot h \) in Spannenergie \( E_{spann} = \frac{1}{2} \cdot D \cdot h^2 \) um. Mit dem Energieerhaltungssatz folgt für den unteren Umkehrpunkt:

\[ \frac{1}{2} \cdot D \cdot h^2 = m \cdot g \cdot h \quad \Rightarrow \quad h = 2 \cdot \frac{m \cdot g}{D} \]

 

 

2. Die Kugel wird langsam mit der Hand nach unten geführt:

In der Gleichgewichtslage - die Feder ist um die Strecke s gestreckt - ist die Federkraft gleich der Gewichtskraft:

\[ D \cdot s = m \cdot g \quad \Rightarrow \quad s = \frac{m \cdot g}{D} \]

Daraus folgt für den unteren Umkehrpunkt \(h = 2 \cdot s \)

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Arbeit, Energie und Leistung