Hookesches Gesetz und Schweredruck in Flüssigkeiten
PhysikKräfte und DynamikAlter 15–16
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Als Nächstes in Kräfte und Dynamik
Links: Eine Feder mit der Federkonstante k trägt einen Körper der Masse m und dehnt sich um Δl = mg/k; ziehen Sie den Körper nach unten und lassen Sie ihn los, um die Schwingung um die Gleichgewichtslage zu sehen – das F-Δl-Diagramm bleibt bis zur Elastizitätsgrenze eine Gerade. Rechts: Verbundene Gefäße enthalten eine Flüssigkeit der Dichte ρ; ziehen Sie den Messpunkt in die Tiefe h, um p = p₀ + ρgh zu sehen, und dass der Flüssigkeitsspiegel in beiden Schenkeln stets gleich hoch ist.
Lektion: Verformung fester Körper, Hookesches Gesetz; Dichte, Schweredruck in Flüssigkeiten
Was sie zeigt
Zwei klassische Versuche teilen sich den Bildschirm. Links folgt eine Feder dem Hookeschen Gesetz, F = kΔl: Die Verlängerung ist bis zur Elastizitätsgrenze proportional zur Last; darüber verformt sich die Feder plastisch und das Kraft-Verlängerungs-Diagramm ist keine Gerade mehr. Im Gleichgewicht gleicht die Federkraft die Gewichtskraft aus, also gilt Δl = mg/k. Rechts steigt der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit linear mit der Tiefe, p = p₀ + ρgh, und hängt nur von Tiefe und Dichte ab, nicht von der Form des Gefäßes; deshalb steht die Flüssigkeit in verbundenen Gefäßen gleich hoch.
So funktioniert es
Beginnen Sie mit der Feder: Ändern Sie Angehängte Masse und Federkonstante k und vergleichen Sie die Verlängerung im Gleichgewicht mit mg/k; ziehen Sie dann die Masse nach unten und lassen Sie sie los, um die Schwingung zu sehen. Erhöhen Sie die Masse, bis die Elastizitätsgrenze überschritten ist, und beobachten Sie das Diagramm. Ziehen Sie anschließend den Messpunkt im Gefäß oder stellen Sie Tiefe h des Messpunkts ein, und variieren Sie Dichte der Flüssigkeit ρ von 700 kg/m³ bis zu Quecksilber, während Sie ρgh ablesen.
Einstellbare Parameter
- Federkonstante k 20–200 N/m
- Angehängte Masse 0,1–2 kg
- Tiefe h des Messpunkts 0–10 m
- Dichte der Flüssigkeit ρ 700–13600 kg/m³
Fragen zum Erkunden
- Was passiert mit der Verlängerung, wenn Sie die angehängte Masse verdoppeln, und gilt das auch jenseits der Elastizitätsgrenze?
- Wie viel Mal größer ist bei gleicher Tiefe der Druck durch Quecksilber als der Druck durch Wasser?
- Warum ist nach dem Modell im Gefäß der Fuß einer Staumauer dicker als ihre Krone?
