1.6.2 Kraftmessung mit der Experimentierwippe

1. Kraftmessung mit der Experimentierwippe für F > 0,005 N

Zur Messung von Kräften ist die Experimentierwippe gut geeignet. Sie hat gegenüber einem einfachen Federkraftmesser den Vorzug, dass die Kräfte mit einem Schreiber oder Rechner registriert werden können.

Bei der Kraftmessung mit der Wippe muss beachtet werden, dass neben dem Betrag der Kraft auch noch deren Richtung und Angriffspunkt für die Drehung der Wippe maßgebend sind. Zur Erläuterung dient die Abb. 1.

Abb. 1

Für die Drehung der Platte ist das als Drehmoment bekannte Produkt M = F · L entscheidend. F ist die drehende Kraft ( hier eine Gewichtskraft ), L ist der Hebelarm, der Abstand der Drehachse vom Kraftpfeil oder dessen Verlängerung – der Anfang des Kraftpfeils ist am Angriffspunkt der Kraft. Die von dem aufgesetzten Gewicht verursachte Drehung der Wippe und das diese Drehung anzeigende elektrische Signal ist bei Drehmomenten < 5 N · m proportional zu M.

Hebelgesetz

Die Drehung eines Hebels (Wippe) unter einer Kraft F ist vom Drehmoment M = F · L abhängig. Hieraus können wir schließen:

Zwei an einem Hebel angreifende Kräfte mit gegensätzlichem Drehsinn verursachen keine Drehung, wenn die Beträge ihrer Drehmomente übereinstimmen ( siehe Abb. 2).

Unter einem Hebel verstehen wir einen Körper, der um eine Achse drehbar ist.

Abb. 2

2. Messung sehr kleiner Kräfte

Zur Messung kleiner Kräfte dient die in Abb.3 skizzierte Versuchsanordnung. Am hinteren Ende der Wippe sind zwei Aluminiumschienen E und H angebracht. H ist am Rahmen der drehbaren Glasplatte und E ihr gegenüber am festen Rahmen befestigt. Auf diese beiden Schienen wird ein Hebel so aufgelegt, dass sein Schwerpunkt zwischen E und H liegt. Wirkt auf das eine Ende des Hebels die Kraft F₁ dann wird die größere Kraft F₂ = (a/b)·F₁ über die Schiene H der Glasplatte mitgeteilt. A ist der zu F₁, und b der zu F₂ gehörende Hebelarm.  Das obere Ende von E ist die Drehachse.

Abb. 3

Zur Begründung dieser Behauptung muss gesagt werden, dass der Hebel sich unter F₁ solange um E dreht, bis von der Schiene H ein linksdrehendes Moment ausgeübt wird, welches das Moment der Kraft F₁ ausgleicht. Da die von H ausgehende Kraft betragsmäßig mit F₂ übereinstimmt, können wir schreiben:

F₁ · a = F₂ · b      →       F₂ = (a/b) · F₁

Eine Metallscheibe in einer mit Öl gefüllten Schale S sorgt dafür, dass der Hebel nach einer plötzlichen Belastung nicht lange hin  und her schwingt. Eine verschiebbare Hülse B ermöglicht das Ausbalancieren des Hebels.

Aufgaben