Kraft und Masse; Ortsfaktor

Mechanik

Kraft und Masse; Ortsfaktor

  • Was ist denn der Unterschied zwischen Masse und Gewicht?
  • Nimmt man eigentlich im Weltall ab?
  • Ist ein Kilogramm Gold wirklich überall gleich schwer?

Das Ziel des Versuchs

Mit diesem Versuch können wir nachweisen, dass an einem Ort alle Körper gleich zum Erdboden beschleunigen, wenn keine Reibungskräfte, sondern nur die Gewichtskraft auf die Körper wirkt.

Benötigte Geräte

Fallröhre mit Feder und Münze

Vakuumpumpe

Aufbau und Durchführung

Man dreht die nicht evakuierte Fallröhre schnell um \(180^\circ \) und beobachtet den Aufschlag der fallenden Körper.

Dann wiederholt man den Versuch mit evakuierter Röhre.

Beobachtung

2 Fallen einer Münze und einer Feder einmal in einer luftgefüllten und einmal in einer evakuierten Fallröhre

Ist Luft in der Fallröhre, so schlägt die Münze deutlich vor der Feder am Boden auf.

Bei evakuierter Fallröhre dagegen sind Feder und Münze nahezu gleichzeitig am Boden.

Ergebnis

Bei Abwesenheit von Reibungskräften, also beim ausschließlichen Wirken der Gewichtskraft, erfahren an einem Ort alle Körper die gleiche Fallbeschleunigung.

1798 gelang es Henry CAVENDISH mit dieser Anordnung die Massenanziehung zwischen zwei Körpern auf der Erde experimentell nachzuweisen. Bild: By Henry Cavendish [Public domain], via Wikimedia Commons
Henry CAVENDISH (1731 - 1810)
Bild von Unbekannt (Popular Science Monthly Volume 59) [Public domain], via Wikimedia Commons
Hier das an der Wand montierte Modell am Rupprecht-Gymnasium, bei dem der Lichtstrahl der Lampe über ein Prisma auf den Drehspiegel gelenkt wird.

Die Funktions­weise einer Gravitations­drehwaage wird im Folgenden anhand einer heute in den Schulen verwandten Waage erklärt.

Das Grundprinzip von Cavendishs Apparatur ist die Messung kleinster Kräfte durch die Verdrillung eines dünnen Drahtes. Es gibt diverse Durchführungsformen für dieses Experiment.

An einem dünnen Draht hängt ein Hantel mit zwei kleinen Bleikugel (jeweils Masse m), die in einer horizontalen Ebene drehbar sind. Beleuchtet man den am Draht befestigten Hohlspiegel mit einem Lichtstrahl, können kleinste Drehwinkel nachgewiesen werden. Den kleinen Bleikugeln der Masse m stehen große Bleikugeln der Masse M gegenüber, es kommt aufgrund der Gravitation zu einer kleinen Anziehungskraft. Verändert man die Position der großen Bleikugeln, wie es in der Animation dargestellt ist, so wirken die Gravitationskräfte auf die kleinen Kugeln gerade in die umgekehrte Richtung, die Hantel setzt sich in Bewegung und führt eine Schwingung durch, die zu Beginn der Bewegung als konstant beschleunigte Bewegung angenähert werden kann.

5 Bewegung der Hantel in der Gravitationsdrehwaage nach der Veränderung der Position der beiden großen Bleikugeln

Die Bewegung der Hantel mit den kleinen Massen \(m\) ist der Nachweis für das Wirken der Gravitationkraft. Sie ist in diesem Falle sehr klein, aber über die gute Versuchsidee von CAVENDISH sogar in der Schule nachweisbar.

Das Ziel des Versuchs

Mit diesem Versuch können wir nachweisen, dass sich eine Tischplatte verformt, wenn eine Kraft auf die Tischplatte wirkt.

Benötigte Geräte

Laser

2 Planspiegel

Tisch

Schweres Massenstück

Aufbau und Durchführung

Abb. 1 Aufbau

Der Laserstrahl wird so justiert, dass er zunächst auf den linken Spiegel trifft, der so eingestellt ist, dass der Strahl zum rechten Spiegel reflektiert und schließlich von diesem zur Zimmerdecke gelenkt wird.

Dann stellt man ein schweres Massenstück (z.B. \(10\,\rm{kg}\)) zwischen den beiden Spiegeln auf den Tisch.

Beobachtung

2 Verformung eines Tisches bei Belastung durch eine große Kraft

Wenn man den Tisch mit dem schweren Massenstück belastet, verändert sich der Auftreffpunkt des Laserstrahls an der Zimmerdecke geringfügig.

Ergebnis

Beim Aufsetzen des Massenstückes auf den Tisch wird dieser verformt. Damit neigen sich die beiden Spiegel geringfügig, so dass sich eine Abweichung des Lichtstrahls von seiner ursprünglichen Richtung ergibt. In der Animation ist dies stark übertrieben dargestellt.

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