ist das Protokoll von Simone K.

Charlotte-Wolff-Kolleg
A 41e4/2 E-Phase
Freitag, 27.01.2012, erster Block
Lehrer: L. Winkowski
Protokollantin: S. Knoll
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Stundenthema: -kurze Wiederholung verschiedener Kräfte
-Spannkraft
• Exemplarischer Versuch
• Beispielrechnung zum Versuch
• Vorstellung der Messgeräte zur Spannkraft
• Rechnung: Aufgabe 3 von Blatt „Mechanik in der E-Phase“
• Exkurs: wie funktioniert eine echte Patrone
Als erstes wiederholt Herr Winkowski mit uns knapp verschiedene Kräfte und deren allgemeine
Formeln:
-die Beschleunigungskraft (Masse mal Beschleunigung; F = m∙a)
-die Gewichtskraft (Masse mal individuelle Fallbeschleunigung; Fg = m∙g)
-die Reibungskraft (individueller Reibungskoeffizient mal Gewichtskraft; FR = fR ∙ Fg)
Herr Winkowski weist uns nochmals darauf hin, dass der Reibungskoeffizient je nach
Material und Oberfläche verschieden ist, er muss einer Tabelle entnommen werden,
die man z.B. in unserer Formelsammlung auf Seite 12/A3 findet.
Dann geht es zum neuen Thema, der Spannkraft:
Zuerst zeigt uns Herr Winkowski einen Versuch, bei dem er uns bittet, ihn nur exemplarisch zu
betrachten, weil die Materialien nicht ganz in Ordnung sind (die Feder wurde schon überdehnt und
liefert keine exakten Messergebnisse).
Eine (weiche) Spiralfeder wird an einer Vorrichtung befestigt. Daran hängt Herr Winkowski nun
zuerst ein Gewicht (auf dem Bild als „Schraubenmuttern“ bezeichnet) von 50g, dann 100g und
schließlich 150g.
An der Messvorrichtung kann man nun erkennen, dass sich die Feder konstant um 0,2m je 50g in die
Länge zieht (Längendehnung). Bei 50g dehnt sie sich also um 0,2m, bei 100g um 0,4m und bei 150g
um 0,6m.

(www.compact.nussnet.at)
Unsere Messtabelle:
Fg in N (Gewichtskraft in Newton; ein Newton
entspricht 100 Gramm)
s in m (Strecke in Meter)
0,5 0,2
1,0 0,4
1,5 0,6
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Daraus lässt sich erkennen, dass sich Fg proportional zu s verhält: Fg ~s
Daraus folgt, dass Fg/s konstant ist. Diese Konstante ist neu für uns, wird mit einem großen D
bezeichnet und heißt Federkonstante.
Wir rechnen nun mit den Werten aus unserer Tabelle:
D= 1N/0,4m = 2,5 N/m (Newtonmeter)
Der gleiche Versuch mit einer harten Feder ergibt folgendes:
Geg.: Fg = 1N; s = 0,04m
Ges.: D
Lösung: D= 1N/0,0,4m = 25 N/m

Herr Winkowski zeigt uns nun Messgeräte für die Kraft: Federkraftmesser
(www.modis-gmbh.eu)
Im Inneren sehen diese so aus:
(www.rs-elxleben.de)
-3-
Die Skala/das maximal zu messende Gewicht umfasst auf diesem Beispiel maximal 2N. Je mehr
Gewicht man an den Messer anhängt, desto mehr wird von der Skala sichtbar/desto mehr dehnt sich
die Feder. Auf der Skala lässt sich nun einfach die Gewichtskraft ablesen.
Im Unterricht lässt Herr Winkowski nun die Federkraftmesser durch die Reihen gehen und lässt zwei
Schüler das Gewicht einer Eisenkugel messen, die an einem starken Federkraftmesser eingehängt
wird.
Die Skala zeigt 40N. Nachdem wir schon wissen, dass 100g 1Newton ist, wiegt die Kugel also 4kg.
Ein Schüler versucht sich noch mit seiner Muskelkraft an einem Messer, lässt dann aber bei 90N
davon ab, um das Gerät nicht kaputt zu machen (zu überdehnen).
Nun geht es an die rechnerische Umsetzung, die Aufgabe 3 (Spannkraft) des Arbeitsblattes
„Mechanik in der E-Phase“ wird gerechnet.

-4-
Die Aufgabe:
Eine Federpistole mit der Federkonstanten von D = 0,50 kN/m wird um 20cm zusammengedrückt.
1. Welche Kraft ist dazu notwendig?
2. Eine Bleikugel mit der Masse von 120g wird in die Pistole eingelegt und anschließend
wird die Feder entspannt und die Kugel schießt aus dem Lauf. Wie groß ist die
Beschleunigung dieser Kugel?
3. Mit welcher Beschleunigung verlässt die Bleikugel den Pistolenlauf?
Nun erklärt uns Herr Winkowski zunächst eine Federpistole und malt diese an die Tafel.
(Quelle unbekannt – mein PC)

Die Feder wird im Inneren gespannt und mit einer Vorrichtung zurückgehalten. Drückt man den
Abzug, springt diese Vorrichtung zurück und gibt die Feder sofort frei, wodurch die Kugel
abgeschossen wird.
Zu Frage 1.:
Geg: D=0,5kN; s=0,sm
Ges.: F (Spannkraft)
Lösung:
F = D/s
F = 0,5kN/0,2m
F = 2,5 kN
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AW: Es ist eine Kraft von 2,5 kN notwendig, um die Federkonstante um 0,2m zusammenzudrücken.
Zu Frage 2.:
Geg.: m = 0,12kg; F = 2,5kN
Ges.: a (Beschleunigung)
Lösung:
F = m ∙a │÷m
a = F/m
a = 2,5kN/0,12kg
a = 20833 m/s 2
AW: Die Beschleunigung der Kugel beträgt 20833 m/s 2 .
Zu Frage 3.:
Hier ist die Lösung nicht ganz so leicht. Gesucht ist die Geschwindigkeit, jedoch können wir sie hier
anhand unserer bisher kennen gelernten Gesetze nicht einfach ausrechnen. Wir brauchen ein neues
Gesetz! Die Herleitung:
Was wir bisher kennen:
│ Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz
a = v/t
│ Weg-Zeit-Gesetz
S = ½ ∙ a ∙ t 2

❸ Neues Gesetz: Geschwindigkeit-Weg-Gesetz
Wir nehmen Gesetz │, stellen es nach t um und quadrieren es anschließend:
a = v/t │∙t
at = v │÷a
t = v/a │ ( ) 2
t 2 = v 2 /a 2
das setzen wir jetzt in Gesetz │ ein:
s = ½ ∙ a ∙ t 2
s = ½ ∙ a ∙ v 2 /a 2 zuerst die beiden a miteinander kürzen, dann│∙2 │∙a
2as = v 2 │√
v = √2as die Wurzel wird aus dem gesamten 2as gezogen!
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Jetzt können wir weiter rechnen, denn a und s ist gegeben!
Lösung:
v = √2as
v = √2 ∙ 20833m/s 2 ∙ 0,2m
v = 91,3m/s = 329km/h
AW: Die Bleikugel verlässt mit einer Geschwindigkeit von 329km/h den Lauf.
Simone Knoll, den 06.02.2012