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Gleitreibungszahl auf der schiefen Ebene messen

PhysikKräfte und DynamikAlter 15–16Virtuelles Labor

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Virtuelles Experiment: Ein Klotz gleitet aus der Ruhe ein um den Winkel α geneigtes Brett hinab; eine Digitaluhr mit zwei Lichtschranken misst die Zeit t für die Strecke L. Die Lernenden vergrößern den Winkel und lassen den Klotz mehrmals los; die Messwerttabelle berechnet automatisch a = 2L/t² und μ = tanα − a/(g·cosα), danach wird der Mittelwert mit dem μ der gewählten Materialpaarung verglichen. Die Ansicht Bewegungsdiagramme lässt eine Vollkugel oder einen Wagen an 8 Lichtschranken (oder an Marken mit Stoppuhr) vorbei die Ebene hinabrollen: Die Lernenden zeichnen x-t- und v-t-Diagramm, bestimmen die Beschleunigung aus der Steigung des v-t-Diagramms und vergleichen sie mit g·sinα (5/7 davon für eine rollende Vollkugel).

Lektion: Gewichtskraft und Reibung; Praktikum: Messung der Gleitreibungszahl

Was sie zeigt

Ein Klotz, der eine raue schiefe Ebene hinabgleitet, erfüllt a = g(sinα − μcosα); die Zeitmessung zwischen zwei Lichtschranken (a = 2L/t²) liefert also die Gleitreibungszahl, und bei kleinen Winkeln hält die Haftreibung ihn fest. Die Ansicht Bewegungsdiagramme lässt eine Vollkugel oder einen reibungsarmen Wagen aus der Ruhe an Marken im Abstand von 0,20 m vorbeirollen. Der Ort in Abhängigkeit von der Zeit ist eine Parabel, und die mittlere Geschwindigkeit jedes Intervalls, aufgetragen zur mittleren Zeit, liegt auf einer Geraden, deren Steigung die Beschleunigung ist. Der Wagen ergibt a ≈ g·sinα, die Vollkugel nur 5/7 davon, weil ein Teil der Energie in die Rotation geht.

So funktioniert es

Wählen Sie in Reibungszahl die Materialpaarung, stellen Sie den Winkel am Griff oder mit Anfänglicher Neigungswinkel ein und klicken Sie mehrmals auf Loslassen; jeder Versuch ergänzt a und μ in der Tabelle. Wählen Sie in Bewegungsdiagramme Körper, Winkel α und Zeitmessung und klicken Sie auf Loslassen. Lesen Sie die Zeiten in der Tabelle ab, vergleichen Sie x-t- und v-t-Diagramm und wiederholen Sie bei anderen Winkeln, um a mit g·sinα zu vergleichen.

Einstellbare Parameter

  • Materialpaarung Holz – Holz (μ ≈ 0,30), Kunststoff – Holz (μ ≈ 0,20), Gummi – Holz (μ ≈ 0,45), Stahl – Stahl geölt (μ ≈ 0,12)
  • Anfänglicher Neigungswinkel 5–60 °
  • Abstand der beiden Lichtschranken 0,5–1,5 m
  • Wahre Reibungszahl zum Vergleich anzeigen
  • Ansicht Reibungszahl messen, Bewegungsdiagramme auf der schiefen Ebene
  • Körper auf der Ebene Vollkugel (rollt), Reibungsarmer Wagen
  • Neigungswinkel (Diagrammansicht) 2–20 °
  • Art der Zeitmessung 8 Lichtschranken, Marken + Stoppuhr

Fragen zum Erkunden

  1. Warum sollte man die Messung mehrmals wiederholen und den Mittelwert von μ verwenden?
  2. Wenn sich der Winkel α ändert, ändern sich t und a; ändert sich auch das berechnete μ, und warum?
  3. Ab welchem Winkel ungefähr beginnt der Klotz zu gleiten, und wie hängt dieser Winkel mit der Reibungszahl zusammen?

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