Statische Kraftmessung

Kraftmessung mit Hilfe von Federn und Zugkörpern

Eine dynamische Kraftmessung wird unter Nutzung des newtonschen Grundgesetzes durchgeführt. Ist die Masse des Körpers bekannt und kann seine Beschleunigung bestimmt werden, lässt sich die auf ihn einwirkende Kraft errechnen. Der Aufwand für die dynamische Kraftmessung ist erheblich. Wesentlich schneller lässt sich im Alltag der Betrag einer Kraft mittels eines elastischen Körpers (z.B. einer Schraubenfeder oder eines Gummibandes) und Zugkörpern mit bekannter Gewichtskraft bestimmen.

Die Kraftmessung basiert auf einer Längenmessung

Vorausgesetzt; die Gewichtskraft von verschiedenen Zugkörpern ist mit der dynamischen Kraftmessung bestimmt worden: Dann stehen Zugkörper mit den Gewichtskräften vom Betrag 1N, 2N und 3N zur Verfügung. Wird jeweils ein  Zugkörper an die Feder gehangen, dehnt sich diese aus, bis ein Gleichgewicht zwischen der nach oben gerichteten Federkraft F⃗ F der gedehnten Feder und der nach unten gerichteten Gewichtskraft F⃗ G des Zugkörpers herrscht.

Jede Zugkraft entspricht einer bestimmten Verlängerung der Feder und umgekehrt. Mit Hilfe eines elastischen Körpers kann die Kraftmessung auf eine Längenmessung zurück geführt werden.

Sicher kannst du dir denken: Der elastische Körper kehrt nach der Ausdehnung in Folge der Belastung in seine Ausgangslage zurück, wenn der Zugkörper entfernt wird.

Versuchsaufbau – Probleme

Bevor die Gewichtsmessung mit einer Feder und einer Skala möglich ist, muss diese Vorrichtung zunächst mit den Zugkörpern bekannter Gewichtskraft kalibriert oder auch eingestellt werden. Das ist gar nicht so einfach, denn:

Die von der Feder getrennt aufgebaute Skala darf in ihrer Lage zur Feder (in vertikaler Richtung) nach dem Kalibrieren nicht verändert werden.

Eine Kraftmessung, die von der Vertikalen abweicht, wird schwierig.

Fügt man die Feder und die Skala zu einem Gerät – dem Kraftmesser – zusammen, so können die geschilderten Nachteile behoben werden. 

Die Verwendung von Kraftmessern

Auch beim Kraftmesser, mitunter als Federwaage bezeichnet, gibt es einiges zu berücksichtigen. So ist der Nullpunkt im unbelasteten Zustand richtig einzustellen. Sollte der Nullpunkt nicht richtig eingestellt sein, kann die Schraube gelöst und die äußere Hülle justiert werden. Anschließend wird die Schraube fest angezogen.

Es gibt Kraftmessern, bei denen die Korrektur des Nullpunktes über eine Hülse erfolgt. Diese Hülse ist zusätzlich über die äußere Hülle der Gerätschaft geschoben und trägt zur korrekten Messung bei.

Denke daran, die Einstellung des Nullpunktes hängt von der Lage oder Neigung des Kraftmessers ab. Ist der Nullpunkt bei vertikaler Lage korrekt eingestellt,  stimmt er bei Schräglage des Kraftmessers nicht mehr und muss wieder korregiert werden. Manche Kraftmesser besitzen eine Sperre, um eine Überdehnung zu vermeiden. Die Sperre verhindert, dass die Feder inklusive Skala nicht beliebig weit aus der Hülle gezogen werden kann.

Je nach Bedarf benutzt man Kraftmesser mit unterschiedlichem Messbereich. Empfindliche Kraftmesser arbeiten im Millinewton (mN) Bereich, es gibt auch Federkraftmesser im Kilonewton (kN) Bereich. Ein Kilonewton (1.000 Newton) ist beispielsweise die übliche Einheit für Kräfte, die im Bauwesen wirken. Ein Kilonewton entspricht ungefähr der Gewichtskraft, die auf eine Masse von 100 Kilogramm wirkt. In Mitteleuropa kannst du ein relativ präzisen 1-Newton-Körper (genauer: Körper mit der Gewichtskraft von Newton) gewinnen, wenn du einen Körper mit der Masse von 100 Gramm (z. B. Schokoladentafel) verwendest.