Wie verhält sich eine Blattfeder bei Belastung?

Transkript

1 Wie verhält sich eine Blattfeder S Blattfedern sind Metallplättchen, die sich unter Belastung elastisch verformen können: Wirkt eine Kraft auf eine Blattfeder, dann verformt sich diese. Charakteristisch für eine elastische Verformung ist, dass sich diese vollständig zurückbildet, wenn die Kraft nicht mehr wirkt. In diesem Versuch wird die Verformung in Abhängigkeit von der Größe der einwirkenden Kraft untersucht. Aufgabe Lenke eine Blattfeder aus ihrer Ruhelage aus und miss mit einem Kraftmesser die Rückstellkraft. Werte die Messergebnisse in einem Diagramm (Rückstellkraft gegen Auslenkung) aus. Material 1 Cobra4 Wireless Manager Cobra4 Wireless-Link Cobra4 Sensor-Unit Force: Kraft 40 N Stativfuß Stativstange, l = 250 mm Stativstange, l = 600 mm Doppelmuffe Blattfeder Glasrohrhalter Maßband, 2 m Angelschnur Software measure für Cobra Zusätzlich wird benötigt 1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher 1 Schere Abb. 2: Befestigung der Blattfeder in der Doppelmuffe Abb. 3: Befestigung der Angelschnur an der Blattfeder Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 Wie verhält sich eine Blattfeder S Aufbau - Schraube den zur Cobra4 Sensor-Unit Kraft 40 N gehörenden Haken mit Hilfe des Gewindestifts in die Rückseite des Sensors. - Baue den Versuch nach Abb. 1 auf. Der linke Stativfuß muss mit Hilfe des gelben Exzenterelements fest mit den waagerechten Stativstangen verbunden werden. Achte auch auf die korrekte Befestigung der Blattfeder in der Doppelmuffe (Abb. 2). - Verbinde die Blattfeder mit dem Haken des Kraftsensors mit Hilfe einer ca. 5 cm 10 cm langen Schlaufe entsprechend Abb. 3. Verschiebe dann die Doppelmuffe mit der Blattfeder nach rechts, bis die Schlaufe gespannt ist und die Blattfeder minimal durch die Schlaufe in Richtung des Kraftsensors gebogen wird. - Stelle das Maßband so ein, dass das 0-cm-Ende gerade an der linken Seite der Doppelmuffe der Blattfeder ansteht! Durchführung - PC und Windows starten - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken - Softwarepaket measure am PC starten - Den Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Kraft 40 N einschalten. Der Sensor wird nun automatisch erkannt und es wird ihm eine ID-Nummer (01) zugewiesen, die im Display des Cobra4 Wireless-Link sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird über die LED Data angezeigt. - Beim Einschalten wird der Kraftsensor tariert, d. h. zu Beginn zeigt er eine Gewichtskraft von 0 N. - Lade den Versuch in measure Cobra4 (Experiment > Experiment öffnen). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwerterfassung gestartet. - Verschiebe nun die Doppelmuffe mit der Blattfeder um einen cm nach rechts, lies die zugehörige Rückstellkraft ab und trage sie in Tabelle 1 ein. - Verfahre entsprechend, bis die Auslenkung insgesamt 15 cm beträgt. Achte darauf, dass der Haken der Cobra4 Sensor-Unit Kraft 40 N jeweils annähernd auf gleicher Höhe wie das freie Ende der Blattfeder ist! Ggf. musst Du die Höhe des Kraftsensors entsprechend anpassen. Abb. 4: Messfenster 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Wie verhält sich eine Blattfeder S Beobachtungen und Messergebnisse Tabelle 1: Messergebnisse für die Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung Auslenkung s / cm Kraft F / N Auslenkung s / cm Kraft F / N Auswertung 1. Erzeuge ein Diagramm aus den Messwerten: Wechsele in das Hauptprogramm measure, wähle Messung > Messwerte manuell erfassen und stelle alle Optionen gemäß Abb. 5 ein. Drücke dann die Weiter - Schaltfläche und trage die Messwerte in die Tabelle unter Eingabe der Messwerte ein. Nach Eingabe des letzten Messwertes wird automatisch ein Diagramm erzeugt. 2. Wenn Du die ersten Messwerte betrachtest, stellst Du fest, dass sie annähernd auf einer Geraden liegen. Markiere die ersten fünf Messwerte (Schaltfläche ) und ermittle die Gerade, die am besten zu den markierten Messwerten passt (Schaltfläche, Funktion Gerade, Berechne.). Steigung der Geraden:... Abb. 5: Erzeugung eines Diagramms 3. Füge die ermittelte Gerade Deinem Diagramm hinzu (Schaltfläche Neue Kurve hinzufügen ). Ab welcher Auslenkung weicht die Gerade deutlich von den Messwerten ab? P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 Wie verhält sich eine Blattfeder S Die Federkonstante D einer Blattfeder ist definiert als der Quotient aus der an der senkrecht zum Ende der Blattfeder ziehenden Kraft F und der zugehörenden Auslenkung s: D:=F/ s. Was hat die Federkonstante D mit der ermittelten Geradensteigung zu tun? 5. Weshalb wurden nur die ersten fünf Werte verwendet? 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Biegung einer Blattfeder L (Wie verhält sich eine Blattfeder ) Die Schüler sollen das Verhalten einer Blattfeder bei Belastung untersuchen, die Messergebnisse in Form eines Diagramms darstellen und insbesondere die Federkonstante D bestimmen. Hinweis zu Aufbau und Durchführung - der Kraftsensor muss tariert werden das geschieht automatisch beim Ein- und Ausschalten des Sensors. Alternativ: Doppelklick auf die Schaltfläche, damit sich das Fenster für die Einstellungen vom Messkanal Kraft F öffnet. Die Schaltfläche Tara durch Klick mit der linken Maustaste aktivieren. Falls Tara bereits aktiviert ist, diese zunächst mit einem Klick deaktivieren und anschließend Fenster mit OK schließen. - Auf die richtige Höhe des Kraftsensors ist zu achten: Die Höhe des freien Endes der Blattfeder nimmt mit zunehmender Auslenkung ab. Stellt man die Höhe des Kraftsensors nicht entsprechend nach, werden die Messergebnisse verfälscht. Üblicherweise sollte man die Höhe des Kraftsensors nach folgenden Auslenkungen justieren: 5 cm, 8 cm, 10 cm, 12 cm, 13 cm, 14 cm, 15 cm. Beobachtungen und Ergebnisse Tabelle 1: Messergebnisse für die Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung Auslenkung s / cm Kraft F / N Auslenkung s / cm Kraft F / N 1 0, , , , , , , , , , , , , , ,410 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 L Biegung einer Blattfeder Auswertung 1. Siehe Abb Steigung der Geraden: 0,0525 N/cm 3. Ab einer Auslenkung von ca. 7 cm wird die Abweichung der Messkurve von der Geraden deutlich. 4. Die Federkonstante D entspricht der Steigung der Geraden! 5. Es wurden nur die ersten 5 Werte verwendet, da bei höheren Auslenkungen die Kraft aufgrund des Versuchsaufbaus nicht mehr senkrecht am Ende der Blattfeder ansetzt und daher die Messwerte zu hoch sind. Abb. 6: Messwerte und Fitfunktion 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P