EXP:Flaschenzug

Mithilfe eines Flaschenzuges, bestehend aus zwei Flaschen, kann die Einhaltung der "Goldenen Regel der Mechanik" untersucht werden. Die "Goldene Regel der Mechanik" wird wie folgt formuliert:

Wenn eine Energie verlustfrei auf einen Körper übertragen wird, dann bleibt das Produkt $F\cdot \mathrm{\Delta }s$ dabei immer gleich.

Hinweis

Der Begriff der "Arbeit", wird im aktuellen Bildungsplan in Baden-Württemberg nicht verwendet. Stattdessen wird von "Energieübertragung" gesprochen.

Benötigtes Material

• 2 Stativstangen (1 m, 20 cm)
• 2 Stativfüße
• Muffen
• Stativhaken
• verschiedene Massestücke
• 2 Präzissionskraftmesser der Firma LD Didactic mit 5 N
• 2 Flaschen
• Schnur (knallige Farbe)
• Meterstab mit Zeigern

Abb.1: Aufbau eines Flaschenzugs bestehend aus zwei losen und zwei festen Rollen. Demonstration der Wegänderung.

Abb.2: Aufbau eines Flaschenzugs bestehend aus zwei losen und zwei festen Rollen. Demonstration der Massenänderung.

Versuchsaufbau

Ein Flaschenzug besteht aus mindestens einer losen Rolle sowie einem Seil. Die Aufbauskizzen der verschiedenen Flaschenzüge sind in dem Bild rechts dargestellt. Im ersten Bild ist ein einfacher Flaschenzug dargestellt, bei dem das Seil an der Decke befestigt wird und um eine einzelne lose Rolle geführt wird. Das Massestück hängt dabei an der losen Rolle. Dabei stehen hier die aufzuwendende Kraft und die Kraft, die auf das Massestück wirkt im Verhältnis 1:2. Im zweiten Bild ist ein Aufbau dargestellt, bei dem das Seil zunächst um eine feste und dann um eine lose Rolle geführt wird. Wichtig ist hierbei, dass das Seilende an der losen Rolle befestigt wird. Das Kräfteverhältnis beträgt dabei 1:3. Beim Flaschenzug im dritten Bild wird das Seil an einer festen Rolle befestigt und dann im Wechsel um zwei lose und eine feste Rolle geführt. So entsteht ein Kräfteverhältnis von 1:4. Wird nun das Seilende wieder an einer losen Rolle befestigt so erhöht sich das Kräfteverhältnis auf 1:5.

Um nun die Flaschenzüge als Demonstrationsexperimente für den Unterricht aufbauen zu können sollten folgende Tipps beachtet werden:

• Werden Federkraftmesser verwendet, so ist darauf zu achten, dass die Skala gut zu erkennen ist. Wir haben deshalb die | Präzissionskraftmesser der Firma LD Didactic verwendet.
• Um die Wegänderung deutlich zeigen zu können kann in den Versuch eine zusätzliche externe Umlenkrolle integriert werden. So können Massestücke statt der Federkraftmesser verwendet werden. Mit einem zusätzlichen Meterstab kann so die Wegänderung deutlich gezeigt werden. In der Abbildung 1 ist dieser Aufbau dagestellt.
• Um die verschiedenen wirkenden Kräfte eindrucksvoll zeigen zu können bietet sich die Verwendung von Federkraftmessern an. Das Verhältnis der wirkenden Kräfte kann so direkt abgelesen werden. In der Abbildung 2 ist dieser Aufbau dagestellt.
• Der verwendete Faden sollte sich deutlich vom sonstigen Hintergrund abheben.
• Federkraftmesser können entweder über eine Schraube oder über das Verschieben eines Metallröhrchens geeicht werden. Die Federkraftmesser sollten hier senkrecht hängend geeicht werden.

Abb.3: Darstellung verschiedener Flaschenzüge zu den Kräfteverhältnissen 1:2, 1:3, 1:4 und 1:5.

Auswertung

Für einen Flaschenzug mit einem Kräfteverhältnis von 1:4 ergibt sich folgende Messwerttabelle. Als größte Fehlerquelle spielt hier die Reibung der Umlenkrollen an ihren Aufhängungen und des Seils an den Umlenkrollen eine Rolle. Hinzu kommen die Ablesefehler an den Meterstäben und den Federkraftmessern.

Um nun die Gültigkeit dieser "Goldenen Regel der Mechanik" erläutern zu können ist die in Abbildung 4 abgebildete Skizze sehr hilfreich.

$F_1(N)$	$\mathrm{\Delta }{s}_1(m)$	$F_2(F)$	$\mathrm{\Delta }{s}_2(m)$	$F_1\cdot \mathrm{\Delta }{s}_1(Nm)$	$F_2\cdot \mathrm{\Delta }{s}_2(Nm)$
2,05	0,025	0,505	0,10	0,05125	0,0505

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

• Es sollte überprüft werden, ob die Federkraftmesser ohne ein angehängtes Massestück im senkrechter Position geeicht wurden.

Sicherheitshinweise

• Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile (z.B. Massestücke).

Abb.4: Erklärende Skizze zum Flaschenzug bestehend aus zwei losen Rollen und zwei festen.

Fotos

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       Aufbau eines Flaschenzugs bestehend aus zwei losen und zwei festen Rollen. Demonstration der Wegänderung.
  

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       Aufbau eines Flaschenzugs bestehend aus zwei losen und zwei festen Rollen. Demonstration der Massenänderung.
  

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       Darstellung verschiedener Flaschenzüge zu den Kräfteverhältnissen 1:2, 1:3, 1:4 und 1:5.
  

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       Erklärende Skizze zum Flaschenzug bestehend aus zwei losen Rollen und zwei festen. 
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0