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1 Reibung S Im Alltag und in der Technik haben wir es überall mit Reibung zu tun. Ausnahmslos jede Bewegung auf der Erde ist mit Reibung verbunden, und dadurch mit einem Energieverlust und Abnutzung. Ohne Reibung jedoch wäre Bewegung gar nicht erst möglich, man könnte weder laufen, noch bremsen, sich festhalten, usw. Aufgabe Messe die Kraft die man benötigt, um einen Holzklotz über einen Tisch zu ziehen. Bestimme die Haftund Gleitreibung für unterschiedliche Materialien, Gewicht und Berührungsfläche. Material 1 Cobra4 Wireless Manager Cobra4 Wireless-Link Cobra4 Sensor-Unit Kraft 40 N Reibklotz Haltebolzen Schlitzgewicht, 50 g Angelschnur, l=20 m Software measure für Cobra Blatt Papier, DIN A5 oder A4 1 Holzplatte oder Holztisch Zusätzlich wird benötigt PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 S Reibung Aufbau und Durchführung - PC und Betriebssystem Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken. - Den Cobra4 Sensor-Unit Kraft 40 N auf den Cobra4 Wireless-Link aufstecken. - Schneide von der Angelschnur einen ca. 15 cm langen Faden ab und mache an beiden Enden eine Schlaufe. - Entferne beim Kraftsensor den Teller und hänge eine Schlaufe der Angelschnur an den Haken des Kraftsensors. - Lege den Reibklotz mit der hölzernen Unterseite auf den Tisch und befestige die andere Schlaufe der Angelschnur an dem Haken des Reibklotzes. Achte darauf dass die Angelschnur zwischen dem Reibklotz und dem Kraftsensor nicht gespannt ist. - Softwarepaket measure am PC öffnen. - Den Wireless-Link einschalten. Der Kraft-Sensor wird automatisch erkannt und im Navigator angemeldet. - Lade den Versuch Reibung. Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme gestartet. - Klicke doppelt den Eintrag des Kraftsensors im Navigator an, damit sich das Fenster für die Einstellungen vom Messkanal Kraft F öffnet. - Klicke einmal die Schaltfläche Tara, so dass das Schaltflächenfeld von auf wechselt und schließe das Fenster. - Jetzt sollte die Kraft 0,000 N angezeigt werden. - Starte die Messung. - Hebe den Wireless-Link mit dem Kraftsensor vom Tisch hoch. Achte darauf das der Faden zwischen Kraftsensor und Reibklotz nach wie vor nicht gespannt wird. - Übe nun Kraft auf den Kraftsensor aus, indem du den Wireless-Link mit dem Kraftsensor ziehst und somit der Reibklotz langsam und gleichmäßig (mit möglichst konstanter Geschwindigkeit) über den Tisch gleitet. - Achte darauf, das keine weitere Kraft ausgeübt wird, die Angelschnur also nicht gespannt bleibt, sobald der Reibklotz zum stehen kommt. - Stoppe die Messung und übertrage das Messergebnis an measure. - Der Graph müsste in etwa so aussehen wie das Messbeispiel in Abb Benutze die Schaltfläche Darstellungsoptionen in measure, um unter Bezeichnung der Messreihe einen passenden Namen zu geben. Abb. 2: Graph eines Messbeispiels 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Reibung S 2. Wiederhole die Messung auf die gleiche Weise mit der Gummiseite des Reibklotzes. Übertrage das Messergebnis an measure. Gib der Messreihe einen passenden Namen. 3. Passe ein Blatt Papier durch Ausschneiden an die Größe des Reibklotzes an und setze diesen mit der hölzernen Seite darauf. Wiederhole die Messung. 4. Führe als nächstes den Versuch mit der Gummiseite des Reibklotzes und einem Schlitzgewicht von 50g durch. Stecke hierzu den Haltebolzen mit dem dickeren Ende in das Loch im Reibklotz. Nun kann das Schlitzgewicht problemlos aufgesteckt werden. 5. Führe als letztes den Versuch durch, indem du den Reibklotz auf eine seiner Längsseiten legst, die Berührungsfläche mit dem Tisch also verringerst. Beobachtungen und Messergebnisse Abb. 3a: Messbeispiel - Versuch mit der hölzernen Unterseite des Reibklotzes Abb. 3b: Messbeispiel Versuch mit der Gummiseite des Reibklotzes Abb. 3c: Messbeispiel Versuch mit Papier Abb. 3d: Messbeispiel Versuch mit der Längsseite des Reibklotzes Auswertung Der Graph zeigt die Kraft, die man aufwenden musste, um den Reibklotz zu ziehen. Wenn er still liegt ist auch die Kraft 0. Wenn man anfängt ihn zu ziehen steigt die Kraft sprungartig an, und ist dann ungefähr konstant während man ihn mit konstanter Geschwindigkeit zieht. Wenn man aufhört zu ziehen geht die Kraft wieder auf 0 zurück. Die maximale Kraft die wirkt, wenn der Reibklotz gestartet wird, ist die sogenannte Haftreibung F 1. Die konstante Kraft die während der Bewegung wirkt, wenn der Reibklotz gleichmäßig gezogen wird, ist die Gleitreibung F Wähle im measure Hauptprogramm das Vermessen -Werkzeug mit der Schaltfläche, um F 1 und F 2 bei allen Messungen zu bestimmen. Trage die Werte in Tabelle 1 ein. Tabelle 1: F 1 und F 2 (mit der hölzernen Unterseite und mit der Gummiseite des Reibklotzes) Holz Gummi F 1 (N) P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 S Reibung Tabelle 2: F 2 bei der Reibung mit Papier, einem Schlitzgewicht und der Längsseite des Reibklotzes Papier Schlitzgewicht, 50 g Hölzerne Längsseite 2. Vergleiche für jede Messung die Werte der Kräfte F 1 und F 2. Was fällt auf? 3. Kannst du die Unterschiede erklären? 4. Vergleiche die Kraft F 2 für die Messung mit Holz, Gummi und Papier. Was beobachtest du? Hast du beim Ziehen des Reibklotzes während der Messung Unterschiede gespürt? 5. Vergleiche die Messung der Gummiseite des Reibklotzes mit und ohne Gewicht. Gibt es einen Unterschied? Wie kann man ihn erklären? 6. Vergleiche die Messung der Holzseite des Reibklotzes mit der Messung der hölzernen Längsseite. Was stellst du fest? 7. Eis ist sehr glatt. Was kann man tun um nicht auszurutschen? 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Reibung L (Warum haben Fahrzeuge Räder?) Hier sollen die Schüler die wesentlichen Eigenschaften von Reibung kennenlernen. Mit Hilfe des Cobra4-Wireless-Links und dem Kraftsensor soll an kleinen Versuchen veranschaulicht werden, dass die Reibung abhängig von Oberfläche und Gewicht, aber unabhängig von der Berührungsfläche ist. Außerdem kann der Unterschied zwischen F 1 (Haftreibung) und F 2 (Gleitreibung) dargestellt werden. Hinweise zur Durchführung Auf die Tarierung des Kraftsensors sollte geachtet werden null Geschwindigkeit sollte auch null Reibung erfahren. Da Reibung unabhängig von der Geschwindigkeit ist, spielt diese bei den Versuchen keine Rolle. Wichtig ist nur, dass der Klotz gleichmäßig gezogen wird: Wenn die Geschwindigkeit konstant ist, heben sich Gleitreibungskraft und Zugkraft genau auf, man erhält einen konstanten Wert. Auswertung 1. F 1 und F 2 lassen sich durch die Funktion Vermessen in measure auswerten. Hier können Abstände innerhalb des Diagramms vermessen werden. Nach Anklicken der Schaltfläche wird im Diagramm ein Rechteck angezeigt, das an zwei Ecken kleine Quadrate enthält. An diesen Quadraten können Sie das Rechteck mit der Maus in der Größe ändern und damit einen anderen Diagrammbereich abmessen. Drücken Sie dazu die linke Maustaste auf eines der beiden Quadrate und halten Sie die Maustaste gedrückt. Ziehen Sie das kleine Quadrat nun auf den gewünschten Punkt und lassen Sie die Maustaste wieder los. Analog verfahren Sie mit dem anderen Quadrat. Abb. 3: Vermessen mit measure Tabelle 1: F 1 (N) Holz 0,23 0,17 Gummi 0,61 0,50 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 L Reibung Tabelle 2: Papier 0,16 Schlitzgewicht, 50 g 0,61 Hölzerne Längsseite 0,15 2. Die Haftreibung ist immer größer als die Gleitreibung. 3. Reibung entsteht durch molekulare Anziehung zwischen den beiden Oberflächen bzw. durch Verhaken. Bei einer Bewegung des Körpers müssen diese Kräfte überwunden werden. Der liegende Körper hat mehr Kontakt zur Oberfläche und verhakt sich deshalb, wohingegen der bewegte über Unebenheiten hinweggleitet. 4. Die Reibung hängt von der Oberfläche der Körper hat (z. B. glatte Oberfläche im Vergleich zu rauer Oberfläche). Je geringer die Reibung, desto leichter lässt sich ein Körper bewegen; in diesem Fall: Papier geht am leichtesten, Gummi am schwersten. 5. Die Reibung ist bei gleicher Oberfläche abhängig von dem Gewicht eines Körpers. Je schwerer der Körper, desto stärker verhakt er sich mit der Reibungsfläche. 6. Reibung ist dagegen unabhängig von der Berührungsfläche. Der Körper kann sich zwar weniger verhaken, die Druckkraft auf die Fläche nimmt jedoch zu. 7. Man kann Sand oder Sägespäne auf das Eis streuen, um die Oberfläche rauer zu machen, so dass die Reibung größer wird. 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

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