Hinweis: Die Idee zu dieser Aufgabe stammt von Toni Thanner, Weilheim.
Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Skizze zum Experiment
Im Unterricht wurde untersucht, von welchen Größen die Gleitreibungskraft an einem Körper abhängt, wenn er mit konstanter Geschwindigkeit \(v\) auf einer horizontalen Unterlage verschoben wird.
a)
Erläutere, warum der Betrag der Zugkraft gleich dem Betrag der zu untersuchenden Gleitreibungskraft ist
Abbildung 1 zeigt neun quaderförmige Körper, welche alle gleich tief sind und die mit konstanter Geschwindigkeit \(v\) auf einer einheitlichen Unterlage gezogen werden. Gleiche Farbe bedeutet gleiches Material und gleiche Oberflächenbeschaffenheit.
b)
Gib je eine Versuchsreihe mit drei Körpern an (waagrecht, senkrecht oder diagonal; z.B. AEJ), welche zur Untersuchung von F in Abhängigkeit von der Auflagefläche, dem Material und der Oberflächenbeschaffenheit des Zugkörpers geeignet ist.
Die Gleitreibungszahl eines Schlittens auf Schnee soll bestimmt werden.
c)
Erläutere, welche Größen gemessen werden müssen.
d)
Leite eine Formel her, mit der man aus diesen Größen die Gleitreibungszahl (Gleitreibungskoeffizienten) \({\mu _{{\rm{GR}}}}\) bestimmen kann.
Wenn sich der Körper mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, so muss die resultierende Kraft auf ihn nach dem 1. NEWTON'schen Axiom Null sein. Die Zugkraft und die Gleitreibungskraft sind in diesem Fall gegengleich.
b)
Geeignete Versuchsreihe zur Untersuchung der
Auflagefläche: A D G (Masse und damit Gewichtskraft sowie Material- und Oberflächenbeschaffenheit bleiben fest).
Gewichtskraft: A B C (Auflagefläche sowie Material- und Oberflächenbeschaffenheit bleiben fest).
von der Material- und Oberflächenbeschaffenheit des Zugkörpers: A E J (Masse und damit Gewichtskraft sowie Auflagefläche bleiben fest).
c)
Man bestimmt mit einer Waage zunächst die Masse des Schlittens und kennt damit über \({F_{\rm{G}}} = m \cdot g\) dessen Gewichtskraft. Zieht man auf einer waagrechten Schneefläche, so ist diese Gewichtskraft gleich der Normalkraft. Nun zieht man den Schlitten mittels einer Federwaage bei konstanter Geschwindigkeit und liest den Betrag der Zugkraft \({F_{\rm{Z}}}\) ab.
d)
Nach Teilaufgabe a) kennt man damit auch den Betrag der Gleitreibungskraft. Die Gleitreibungszahl erhält man mit der Beziehung
\[{\mu _{{\rm{GR}}}} = \frac{{{F_{{\rm{GR}}}}}}{{m \cdot g}} = \frac{{{F_{\rm{Z}}}}}{{m \cdot g}}\]
