Direkt zum Inhalt

Aufgabe

Umgang mit Diagrammen

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Die Messung der Verlängerung einer Schraubenfeder ergab die folgenden Messwerte:

Verlängerung \(s\) in \(\rm{cm}\) \(0,0\) \(3,5\) \(7,0\) \(10,5\) \(14,0\) \(16,0\) \(17,0\)
Benötigte Kraft \(F\) in \(\rm{N}\) \(0,0\) \(5,0\) \(10\) \(15\) \(20\) \(25\) \(30\)
a)

Zeichne das \(s\)-\(F\)-Diagramm. Wähle dabei folgenden Maßstab: Rechtswertachse: \(10\,{\rm{cm}} \buildrel \wedge \over = 5\,{\rm{LE}}\); Hochwertachse: \(10\,{\rm{N}} \buildrel \wedge \over = 3\,{\rm{LE}}\)

b)

Erkläre die Abweichung der beiden letzten Messpunkte von den übrigen.

c)

Bestimme aus dem Diagramm, welche Gewichtskraft ein Körper haben muss, damit die Feder um \(8{,}0\,\rm{cm}\) gedehnt wird.

d)

Berechne die Federhärte (linearer Bereich) und die von der Kraft \(7{,}0\,\rm{N}\) erzeugte Verlängerung der Feder.

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken
a)

Das Diagramm ergibt sich zu:

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Diagramm zur Lösung
b)

Die ersten fünf Messpunkt liegen auf einer Ursprungsgerade; hier folgt die Feder dem Gesetz von HOOKE. Die letzten beiden Messpunkte liegen nicht mehr auf dieser Geraden; bei dieser Ausdehnung folgt die Feder nicht mehr dem Gesetz von HOOKE, wahrscheinlich ist die Feder hier bereits überdehnt.

c)

Man wähle auf der Rechtswertachse den Wert \(s=8\,\rm{N}\) und geht senkrecht nach oben, bis man die gedachte oder gezeichnete Gerade schneidet. Von diesem Punkt aus geht man horizontal bis zur Hochwertachse und liest den entsprechenden Wert \(F=12\,\rm{N}\) ab.

d)

Nach dem Gesetz von HOOKE ergibt sich\[F = D \cdot s \Leftrightarrow D = \frac{F}{s} \Rightarrow D = \frac{{20\,{\rm{N}}}}{{0{,}140\,{\rm{m}}}} = 140\,\frac{{\rm{N}}}{{\rm{m}}}\]und weiter\[F = D \cdot s \Leftrightarrow s = \frac{F}{D} \Rightarrow s = \frac{{7{,}0\,{\rm{N}}}}{{140\,\frac{{\rm{N}}}{{\rm{m}}}}} = 0{,}050\,{\rm{m}} = 5\,{\rm{cm}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Kraft und das Gesetz von HOOKE