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Eine Kraft messen - Methoden der Kraftmessung

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In diesem Artikel geht es um die Methoden der Kraftmessung. Der Artikel gehört damit in den Bereich der Physik – bzw. der Kinetik. Eine Kraft messen kann man über die Beschleunigung einer Masse, sowie durch einen Federkraftmesser.

Eine Kraft messen

Um die zwischen zwei Körpern auftretende Kraft zu bestimmen, ist eine Messung der Kraft notwendig, die mithilfe von technischen Einrichtungen oder Geräten durchgeführt wird. Die Kraft selbst wird in der klassischen Physik als äußere Einwirkung verstanden, die einen beweglichen Körper beschleunigt oder einen festgehaltenen Körper verformt. Um zum Beispiel die Gewichtskraft G zu bestimmen, wird ein allgemeiner Kraftsensor, Kraftaufnehmer oder eine einfache Waage verwendet. Gelegentlich werden diese Geräte noch als Dynamometer bezeichnet (abgeleitet aus dem griechischen Wort dynamis für Kraft), ein Ausdruck aus dem 19. Jahrhundert, der im englischen Sprachgebrauch bis heute erhalten geblieben ist.

Messung der Kraft mittels Bestimmung der Beschleunigung

Um die auf einen sich bewegenden Körper wirkende Kraft bestimmen zu können, muss seine Masse bekannt sein und seine Geschwindigkeitsänderung pro Zeitintervall gemessen werden. Die Geschwindigkeitsänderung pro Zeitintervall ergibt die Beschleunigung a, die in die Formel des 2. Newtonschen Gesetzes (Kraftgesetz) F=m·a eingesetzt wird. Das bedeutet, dass die Größe der Kraft F proportional zur Beschleunigung a eines Körpers mit einer Masse m ist.

Messung der Kraft mithilfe einer Feder

Für die mechanische Messung der Kraft wird besonders gern die Verformungskraft verwendet. Ein vertrauter Gegenstand, der für diese Messung eingesetzt wird, ist eine Schraubenfeder, die durch das Aufwickeln eines steifen Drahtes entsteht. Je stärker sie auseinandergezogen oder verdreht wird, desto stärker wird ihre Kraft (Federkraft F), mit der sie sich der Verformung entgegensetzt. Wird sie anschließend wieder losgelassen, so kehrt sie in ihre natürliche, ursprüngliche Länge zurück, vorausgesetzt, dass die Verformung eine bestimmte Grenze nicht übersteigt. Unterhalb dieser Grenze ist die Federkraft proportional zur Längenänderung. Diese Beziehung wird mit dem Hookeschen Gesetz (F = D·Δl) beschrieben, welches die Wirkung einer Kraft auf einen elastischen Körper besagt.

Hookesches Gesetz:

Federkraft

Messung einer Kraft
Kraftmessung mit Hilfe einer Feder

Die für die Kraftmessung aufgehängte Feder besitzt ohne äußere Belastung ein Eigengewicht mit der Gewichtskraft F0 und die Länge x0. Wird die Feder nun so belastet, dass eine Kraft inklusive ihres Eigengewichtes auf sie wirkt, verlängert sie sich auf die Länge x. Physikalische Versuche zeigen, dass der Quotient aus Längenzunahme und Kraftzunahme konstant ist. Diese Konstante nennt sich Federkonstante oder Federhärte D.

Da jede Zugkraft eindeutig einer bestimmten Verlängerung der Feder und umgekehrt entspricht, kann die auf die Feder einwirkende Kraft direkt an einer an ihr angebrachten, geeigneten Skala abgelesen werden. Federn lassen sich aber nicht beliebig dehnen. Das bedeutet, es werden für die Kraftmessung Federkraftmesser unterschiedlicher Federkonstanten und Skalen verwendet, um in verschiedenen Messbereichen eine Kraftmessung vornehmen zu können. Anhand der Messung der Kraft mit einer Feder wird deutlich, dass mithilfe eines elastischen Körpers die Kraftmessung auf eine Längenmessung zurückgeführt werden kann.

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2009 Maschinenbau-Wissen.de
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