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Kräfte messen und berechnen

Skripte
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Kräfte kann man am Körper spüren. Werden sie zu stark, spürt man Schmerzen, sind sie zu schwach spürt man nichts mehr. Der Mensch ist deshalb kein guter Kraftmesser. Glücklicherweise konnte der Mensch sich durch technische Entwicklung immer bessere Kraftmessinstrumente bauen.
Noch besser als Kräfte zu messen, ist es sie bereits vorher zu wissen, indem man sie berechnet.

Kraftmesser

Der einfachste Kraftmesser besteht aus einer Feder mit angebrachter Skala. Das ganze wird durch ein Gehäuse geschützt. Federn können so gebaut werden, dass sie sich gleichmäßig zur Kraft strecken. So kann man anhand der Strecke, um die sich die Federn gedehnt haben, die Kraft bestimmen.
Mechanik: Kräfte messen und berechnen
Abb. 1: Kraftmesser
Mechanik: Kräfte messen und berechnen
Abb. 1: Kraftmesser
Am rechten Haken kann eine Kraft wirken. Je größer die Kraft, desto weiter wird die Skala aus dem blauen Gehäuse gezogen. Im Gehäuse ist eine Feder, die sich gleichmäßig mit der Kraft ausdehnt. Auf dem Gehäuse ist angegeben, wie die Skala eingeteilt ist. Hier entspricht ein Strich $1\,\text{N}$. Es wirkt also eine Kraft von knapp $4\,\text{N}$.
Alte Personenwaagen funktionnieren nach demselben Prinzip. Im Inneren ist eine Feder verbaut, die sich je nach Kraft streckt.
Es gibt auch andere Formen der Kraftmesser, die nicht mit Federn arbeiten. Elektrische Kraftmesser zum Beispiel arbeiten mit Spulen und Magneten, um die Kraft zu messen.

Kräfte berechnen

Um eine Kraft zu berechnen, benötigt man das zugehörige Kraftgesetz. Mit dem Kraftgesetz lässt sich die entsprechende Kraft berechnen. Es gibt unzählige dieser Kraftgesetze. Die Herausforderung besteht darin, das richtige Gesetz für die verlangte Rechnung zu finden.
Ein einfaches Kraftgesetz ist das lineare Kraftgesetz einer Feder. Hier ist die Kraft linear zur Streckung $s$ der Feder. Das Kraftgesetz einer bestimmten Feder könnte lauten:
$\begin{array}[t]{rll} F=4\,\dfrac{\text{N}}{\text{cm}}\cdot s \end{array}$
Willst du die Kraft berechnen, die du brauchst, um die Feder $7\,\text{cm}$ zu strecken, musst du $s=7\,\text{cm}$ in das Kraftgesetz einsetzen:
$\begin{array}[t]{rll} F=4\,\dfrac{\text{N}}{\text{cm}}\cdot 7\,\text{cm} =28\,\text{N} \end{array}$
Die Kraft die du benötigst sind $28\,\text{N}$. Du siehst, dass wenn du die richtigen Einheiten einsetzt, sich diese kürzen lassen und du das Ergebnis ebenfalls in der richtigen Einheit erhältst.
Bildnachweise [nach oben]
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