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Federkraft

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Die Autor*innen
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Philip Rupp
Federkraft
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Federkraft Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Federkraft kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Eigenschaften einer technischen Feder an.

    Tipps

    Eine Schraubenfeder ist eine technische Feder.

    Es gibt sehr unterschiedliche technische Federn.

    Lösung

    Eine technische Feder ist ein Bauteil, welches die Eigenschaft hat, dass sie sich unter Krafteinwirkung verformt und danach wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt.

    Ein Beispiel ist etwa die Schraubenfeder, welche den oben genannten Anforderungen entspricht.

    Dabei können technische Federn unterschiedliche Eigenschaften haben und sich so bei gleicher Krafteinwirkung unterschiedlich auslenken.

  • Gib die Bauteile des Federkraftmessers an.

    Tipps

    Eine Kraft ist aus der Elongation der Feder berechenbar.

    Die Hülse ist nur an einer Seite geschlossen.

    Lösung

    Ein Federkraftmesser ist ein einfaches Messgerät zur Bestimmung einer Kraft mittels einer Feder.

    Dieser besteht aus einer Hülse, welche an einer Seite offen, an der anderen geschlossen ist. An der geschlossenen Seite ist eine Feder befestigt, die im Ruhezustand die Auslenkung $0$ hat. Die Feder reicht zu diesem Zeitpunkt bis zum Rand des offenen Endes.

    Kennt man die kraftabhängige Verformungseigenschaft der Feder, so kann man nun aus der Elongation der Feder aus der Ruhelage, also der Verlängerung der Feder, die angreifende Kraft berechnen.

  • Erkläre den Federkraftmesser.

    Tipps

    Mit dem Federkraftmesser kann man verschiedene Kräfte messen.

    Die Kraft, welche auf eine Masse wirkt ist abhängig von deren Aufenthaltsort.

    Lösung

    Der Federkraftmesser ist ein einfaches Gerät zur Ermittlung von Kräften.

    Dabei ist eine Feder mit bekannter Federkonstante in einer Hülse befestigt. Im Ruhezustand, wenn also keine Kraft wirkt, beträgt die Auslenkung $0$.

    Wirkt nun eine Kraft auf die Feder, hängen wir etwa eine Masse daran, so wird die Feder um einen Betrag ausgelenkt, der proportional zur wirkenden Kraft ist.

    Ist nun der Ort des Experimentes und damit der Ortsfaktor bekannt, können wir die Masse eines angehängten Objektes direkt aus der Verlängerung der Feder bestimmen.

    Die Berechnung der Kraft oder Masse mittels Federkraftmesser ist dabei relativ ungenau und nur dann sinnvoll, wenn man diese Größen nur relativ genau bestimmen möchte.

  • Werte die Tabelle aus.

    Tipps

    Kraft und Auslenkung sind proportional.

    Berechne zunächst die Auslenkung bei einer Kraft von $1N$.

    Lösung

    Die Auslenkung der Feder und die wirkende Kraft sind proportional zueinander.

    Verdoppelt sich also die Auslenkung, so muss auch die angreifende Kraft verdoppelt sein.

    Für die Feder im Beispiel ergibt sich bei $4 cm $ Auslenkung bei einer angreifenden Kraft von $ F = 25 N $ eine Auslenkung von $ \frac{4cm}{25N} = 0,16 \frac {cm}{N} $.

    Nun müssen wir nur die gegebenen Größen einsetzen und erhalten die Auslenkung oder die für eine bestimme Auslenkung benötigte Kraft.

  • Zeige die technischen Federn.

    Tipps

    Unterscheide nach der Definition der Feder.

    Umgangssprachlich sind viele Dinge Federn.

    Lösung

    Eine technische Feder ist ein Bauteil, welches die Eigenschaften hat, dass es sich unter Krafteinwirkung verformt und danach wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt.

    Ein Beispiel ist etwa die Schraubenfeder, welche den oben genannten Anforderungen entspricht. Dabei gibt es mehrere Ausführungen der technischen Feder: Diese kann mit oder ohne Masse, bewegt oder in Ruhe, oder als verbautes Teil im Kraftmesser, Stoßdämpfer oder der Matratze deines Bettes auftreten.

    Umgangssprachlich bezeichnen wir auch Vogelfedern, Schreibfedern, Hutfedern oder Kissenfedern als Feder. Im technischen Sinne sind diese jedoch keine Federn.

  • Berechne die Federkräfte.

    Tipps

    Beachte die Einheiten.

    $k = \frac{F}{x}$

    Rechne mit $x$ in $cm$ und $F$ in $N$.

    Lösung

    Stellen wir die Formel aus dem Aufgabenkopf um, so ergibt sich :

    $k = \frac{F}{x} $.

    Die Stärke der Feder ist also über den Zusammenhang von Kraft $F$ und Auslenkung $x$ bestimmbar. Dabei ist der $k$-Wert umso größer, je kleiner die Auslenkung und je größer die angreifende Kraft ist.

    Setzen wir nun beispielsweise ein :

    $F = 50 kN$ und $x = 1,30 m$ erhalten wir für $k$:

    $k = \frac{F}{x} = \frac{50.000N}{130cm} = 384,6 \frac{N}{cm}$.

    Analog sind die Werte für alle anderen Beispiele ermittelbar.

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