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Grundwissen

Statische Kraftmessung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Mithilfe eines statischen Kraftmessers wie einer Federwaage kannst du einfach die Massen unbekannter Körper bestimmen.
  • Ein statischer Kraftmesser muss jedoch immer mit bekannten Massen kalibriert werden.
  • Beim Messen mit dem Kraftmesser ist auf die Nullpunktkorrektur zu achten.
Aufgaben Aufgaben

Die dynamische Kraftmessung ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Wesentlich schneller lässt sich der Betrag einer Kraft mit Hilfe eines elastischen Körpers (z.B. Gummiband oder Schraubenfeder) bestimmen.

Hinweis: Ein elastischer Körper geht nach der Ausdehnung durch eine Belastung wieder in seine Ausgangslage zurück, wenn die belastende Kraft nicht mehr wirkt.

Kalibrierung eines Federkraftmessers

Abb. 1 Kalibrierung eines Federkraftmesser durch Belastung mit bekannten Gewichtskräften

Wir gehen davon aus, dass durch dynamische Kraftmessung die Gewichtskraft von verschiedenen Zugkörpern bestimmt worden ist. Es sollen z.B. Zugkörper mit den Gewichtskräften vom Betrag \(1\,{\rm{N}}\), \(2\,{\rm{N}}\) und \(3\,{\rm{N}}\) zur Verfügung stehen. Hängt man jeweils einen dieser Zugkörper an die Feder, so wird diese so weit gedehnt, bis Gleichgewicht zwischen der nach unten gerichteten Gewichtskraft \({{\vec F}_{\rm{G}}}\) des Zugkörpers und der nach oben gerichteten Federkraft \({{\vec F}_{\rm{F}}}\) der gedehnten Feder herrscht.

Jeder Zugkraft entspricht auf eindeutige Weise eine bestimmte Verlängerung der Feder und umgekehrt. Man kann also mit Hilfe eines elastischen Körpers die Kraftmessung auf eine Längenmessung zurückführen.

Bevor die Gewichtsmessung eines unbekannten Körpers mit einer Feder möglich ist, muss diese zunächst mit den Zugkörpern bekannter Gewichtskraft kalibriert werden. Die nebenstehende Animation veranschaulicht die Vorgehensweise.

Leider sind bei der dargestellten statischen Kraftmessung noch kleinere Schwierigkeiten zu beheben:

Die getrennt von der Feder aufgebaute Skala darf in ihrer Lage zur Feder (in vertikaler Richtung) nicht verändert werden.

Die Kraftmessung in einer Richtung, die von der Vertikalen abweicht, bereitet Schwierigkeiten.

Fügt man die Feder und die Skala zu einem Gerät zusammen, so lassen sich die oben geschilderten Nachteile beheben.

Arbeiten mit Kraftmessern

Abb. 2 Aufbau und Bedienung eines Federkraftmessers

Hinweise

Beim Arbeiten mit Kraftmessern (vielfach wird dieses Gerät auch als Federwaage bezeichnet) muss stets darauf geachtet werden, dass der Nullpunkt im unbelasteten Fall richtig eingestellt ist. Stimmt der Nullpunkt nicht, so kann die Schraube, mit der die äußere Hülle am Halter (grau) befestigt ist, gelöst und die äußere Hülle verschoben werden. Stimmt der Nullpunkt, so wird die Schraube wieder fest gezogen.

Bei manchen Kraftmessern erfolgt die Nullpunktskorrektur über eine Hülse, die noch zusätzlich über die äußere Hülle geschoben ist.

Beachte, dass die Nullpunktseinstellung stark von der Lage des Kraftmessers abhängt. Ist z.B. der Nullpunkt bei der oben skizzierten vertikalen Lage korrekt eingestellt, so stimmt er bei einem schräg ziehenden Kraftmesser nicht mehr und muss daher wieder korrigiert werden.

Je nach Anwendung verwendet man Kraftmesser mit unterschiedlichem Messbereich. Sehr empfindliche Kraftmesser arbeiten im mN-Bereich, es gibt auch Federkraftmesser im kN-Bereich.

Um eine Überdehnung der Feder zu verhindern, besitzen manche Kraftmesser eine Sperre, die dafür sorgt, dass die Feder samt Skala nicht beliebig weit aus der äußeren Hülle gezogen werden kann.

Bespiele von verschieden ausgeführten Kraftmessern

Messbereich 5 N
(Leybold)

Messbereich 250 N

Torsionskraftmesser*
Messbereich 1N

Tafel Schokolade als 1-Newton-Körper

 

In Mitteleuropa kann man einen relativ präzisen 1-Newton-Körper (genauer: Körper mit der Gewichtskraft \(1\,{\rm{N}}\)) gewinnen, wenn man einen Körper mit der Masse \(100\,{\rm{g}}\) (z. B. Schokoladentafel) verwendet.

Aufgaben

Statische Kraftmessung

Übungsaufgabe