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Drehmoment – Hebelgesetz und Kräftepaar

PhysikKräfte und DynamikAlter 15–16Virtuelles Labor

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Virtuelles Experiment mit einem Stab, der in der Mitte drehbar gelagert ist und gleichmäßig verteilte Löcher hat: Ziehen Sie Wägestücke in die Löcher auf beiden Seiten. Der Stab neigt sich zur Seite mit dem größeren Drehmoment und bleibt nur waagerecht, wenn M₁ = F₁·d₁ gleich M₂ = F₂·d₂ ist. Eine Tabelle hält jeden Versuch fest, um das Hebelgesetz zu prüfen. Der Modus Kräftepaar zeigt, dass zwei gleich große, entgegengesetzte Kräfte den Stab nur drehen, mit M = F·d.

Lektion: Drehmoment, Gleichgewicht eines starren Körpers mit fester Drehachse, Kräftepaar

Was sie zeigt

Das Drehmoment beschreibt die Drehwirkung einer Kraft um eine Achse: M = F·d, wobei der Hebelarm d der senkrechte Abstand zwischen Drehachse und Wirkungslinie der Kraft ist. Hier hat ein in der Mitte gelagerter Stab auf jeder Seite sechs gleich weit voneinander entfernte Löcher. Wägestücke links erzeugen ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn, Wägestücke rechts eines im Uhrzeigersinn; der Stab bleibt nur waagerecht, wenn beide gleich groß sind (Hebelgesetz). Im Modus Kräftepaar haben zwei parallele, gleich große, entgegengesetzte Kräfte die Resultierende null, sodass sich der Stab nur um die Achse dreht, ohne verschoben zu werden, mit M = F·d.

So funktioniert es

Beginnen Sie im Modus Stab ausbalancieren (Wägestücke). Der Stab ist anfangs nach links geneigt, mit drei Wägestücken an Loch 2 links und einem an Loch 3 rechts; lassen Sie die Lernenden vorhersagen, wo Wägestücke ergänzt werden müssen, und dies durch Ziehen aus der Box prüfen. Klicken Sie nach jeder Anordnung auf Speichern und vergleichen Sie M₁ und M₂ in der Tabelle. Ändern Sie Gewichtskraft je Wägestück oder Abstand zwischen den Löchern, wechseln Sie dann zu Kräftepaar und tippen Sie auf andere Löcher, um d zu ändern.

Einstellbare Parameter

  • Modus Stab ausbalancieren (Wägestücke), Kräftepaar
  • Gewichtskraft je Wägestück 0,1–2 N
  • Abstand zwischen den Löchern 2–10 cm
  • Betrag jeder Kraft des Kräftepaars 0,2–3 N
  • Hebelarme anzeigen

Fragen zum Erkunden

  1. Welche Anordnungen von Wägestücken rechts bringen den Stab ins Gleichgewicht, wenn links zwei Wägestücke an Loch 3 hängen?
  2. Warum neigt dasselbe Wägestück den Stab stärker, wenn es an einem weiter von der Achse entfernten Loch hängt?
  3. Wie ändert sich das Drehmoment des Kräftepaars, wenn Sie den Abstand d zwischen den beiden Kräften verdoppeln?

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