Kraftwandler und Getriebe

Hebel

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Hebel.

Ein sehr einfacher Hebel

Dieser Versuch eignet sich als unmittelbar verständlicher Freihand-Versuch, der sich schnell und einfach überall umsetzen lässt.

Material:

  • Ein Lineal aus Holz oder ein kantiger Stift
  • Ein runder Stift

Durchführung:

  • Lege ein hölzernes Lineal quer über einen Stift und halte es mit je zwei Fingern an den Enden fest.
  • Teste die Hebelwirkung, die sich ergibt, wenn Du versuchst das Lineal an beiden Enden nach unten zu drücken. Was passiert, wenn sich der Stift nicht mittig unter dem Lineal befindet? Welche Hand ist in diesem „stärker“?

Das Gewicht einer Tasche…

Diesen Versuch „zum Anpacken“ vergisst man so schnell nicht..

Material:

  • Ein (schwerer) Rucksack, ein großes Probegewicht oder ein anderer schwerer und gut greifbarer Gegenstand

Durchführung:

  • Hebe eine Tasche oder ein anderes Gewichtsstück nahe an Deinem Körper hoch. Wie „schwer“ fühlt es sich an?
  • Hebe den gleichen Gegenstand nun mit seitlich voll ausgestrecktem Arm hoch. Was stellst Du fest? Wie kannst Du die Beobachtung anhand des Hebelgesetzes erklären?

Hebelwirkung beim Knicken eines Zahnstochers

Dieer Versuch kommt mit nur einem einzigen Zahnstocher aus. Trotzdem merkt man schnell, warum dünne Metallschrauben in Regalen verhältnismäßig hohe Lasten „tragen“ können…

Material:

  • Ein Zahnstocher

Durchführung:

  • Zerbreche einen Zahnstocher in der Mitte.
  • Nimm eine der beiden Hälften, und zerbreche sie wiederum in der Mitte.
  • Versuche, die immer kleineren Zahnstocher-Stücke weiter mit bloßen Händen zu zerteilen. Was stellst Du fest? Wie kannst Du Deine Beobachtung mit Hilfe des Hebelgesetzes erklären?

Ein Hebel als Zählhilfe

Mit diesem Versuch kann die Addition von Drehmomenten spielerisch einfach getestet und geübt werden.

Vorbereitung:

In einer Holzleiste wird der Mittelpunkt markiert, und von diesem bis zum Rand je zehn Schrauben in gleichmäßigen Abständen angebracht. Dann wird in die Mitte ein kleines Kugellager eingesetzt und an einer Achse (z.B. an einem Labor-Stativ) drehbar befestigt.

Als Gewichte zum Aufhängen an den Schrauben eignen sich Hakengewichte oder gleich große, mit einer passenden Bohrung versehene Rechtecke aus Holz. Bringt man in der Mitte des Hebels senkrecht eine kleine Metallstange als Lot an, so bleibt die „Waage“ im unbelasteten Zustand waagrecht.

Material:

  • Eine Hebelstange mit je zehn nummerierten Halterungen für Gewichte
  • Mehrere gleich große Holzplättchen mit Bohrung
  • Stativmaterial

Durchführung:

  • Hänge die Hebelstange an einer Achse drehbar gelagert an einem Stativ auf.
  • Bringe auf der einen Seite zwei Hakengewichte auf verschiedenen Positionen an. Bringe auf der anderen Seite ein oder zwei Hakengewichte an, so dass die Summer der Zahlen auf der linken Seite gleich der Summe der Zahlen auf der rechten Seite ist. Welche Regel gilt also für das gemeinsame Auftreten von mehreren Drehmomenten?
  • Hänge auf einer Seite mehrere Gewichte beispielsweise an die Zahl „6“ an. Auf wie viele verschiedene Weisen kannst Du auf der anderen Seite Gewichte anbringen, so dass die „Rechenwaage“ im Gleichgewicht bleibt?
  • Kannst Du mittels des Hebels auch einfache Divisionsaufgaben „nachbauen“? Wie lässt sich der „Rest“ darstellen, wenn das Ergebnis der Division zweier Zahlen nicht ganzzahlig ist?

Schiefe Ebene

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Schiefe Ebene.

Kraftmessung an einer Versuchsrampe

Material:

  • 1 Versuchswagen
  • 1 Holzklotz mit Bohrungen
  • Passende Gewichte
  • Stativ mit Quermuffe und langer Achse (4mm)
  • Versuchsbrett „Schiefe-Ebene“
  • Kraftmesser

Durchführung:

  • Baue das Stativ samt Quermuffe und langer Achse auf und hänge ein Ende des Versuchbretts über die Querbohrung an der Achse auf.
  • Bringe den Holzklotz mitsamt Gewichten so am Versuchswagen an, dass kein Verrutschen der „Fracht“ möglich ist.
  • Hänge einen Kraftmesser am Versuchswagen ein und ziehe damit den Wagen die schiefe Ebene hoch. Vergleiche das Gewicht des Versuchswagens und der Fracht mit der nötigen Zugkraft an der schiefen Ebene.
  • Wiederhole den Versuch mit verschiedenen Winkeln der schiefen Ebene, indem Du die Hohe der Aufhänge-Achse variierst. Welchen Zusammenhang kannst Du, beispielsweise anhand einer Messtabelle, beobachten?

Schiefe Ebene und Haftreibung

Material:

  • Stativ mit Quermuffe und langer Achse (4mm)
  • Breites Versuchsbrett
  • Schraubzwinge (optional)
  • Mehrere Gegenstände (Stifte, Radiergummi, …)

Durchführung:

  • Baue das Stativ samt Quermuffe und langer Achse auf und hänge ein Ende des Versuchbretts über die Querbohrung an der Achse auf. Sichere das untere Ende des Versuchsbretts gegebenenfalls mit einer Schraubzwinge ab, so dass es nicht wegrutschen kann.
  • Stelle die Anordnung zunächst auf einen geringen Neigungswinkel ein und lege verschiedene Gegenstände auf das Brett. Notiere Dir als Vermutung, welcher Gegenstand wohl als erster zu rutschen beginnen wird und welcher wohl am längsten liegen bleiben wird.
  • Überprüfe Deine Vermutung, indem Du die Neigung des Versuchsbretts langsam erhöhst. Bis zu welchem Neigungswinkel bleiben die einzelnen Gegenstände liegen? Wie kannst Du das Ergebnis erklären?

Flaschenzüge und Rollen

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Flaschenzüge und Rollen.

Der Personen-Flaschenzug

Material:

  • Zwei runde, stabile Holzstangen (z.B. Besenstile)
  • Ein ca. \unit[4]{m} langes, zugfestes Seil
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SVG: Stangen-Flaschenzug

Durchführung:

  • Nimm die beiden Holzstangen und winde ein langes Seil insgesamt drei Mal um beide Stangen herum. Knote ein Seilende an einer Stange fest, lass das andere Seilende lose über die gleiche Stange hinausragen.
  • Wer ist „stärker“? Die Person, die am losen Seilende zieht, oder eine Person an einer der beiden Holzstangen?
  • Was passiert, wenn das Seil noch öfters um die beiden Holzstangen gewickelt wird? Wie könnten Reibungseffekte verringert werden?

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