Arbeitsblatt: Mechanik

Mechanik 1 DIE KRAFT (F) Verschiedene Auswirkungen (Verformung, Zerstörung, Beschleunigung, Ablenkung) lassen vorhandene Kräfte erkennen. Kräfte kann man mit Kraftmessern (Federwaagen) messen. Die Masseinheit der Kraft ist ein Newton (1N) Die Wirkung der Kraft hängt von der Grösse, der Richtung und dem Angriffspunkt ab. DIE GEWICHTSKRAFT (FG) Alle Körper werden von einer Kraft nach unten gegen den Erdmittelpunkt gezogen. Diese Kraft verursacht, dass alle Körper mehr oder weniger schwer sind. Man nennt diese Kraft daher oder . Sie hat nichts mit Magnetismus zu tun. Die Gewichtskraft ist vom Ort abhängig. Auf hohen Bergen ist man zum Beispiel weiter weg vom Erdmittelpunkt als im Tal. Daher ist auch die Gewichtskraft/Schwerkraft unterschiedlich. Die Gewichtskraft eines Körpers hängt von der Masse (m) und der Erdanziehung (g) ab. Die Erdanziehung ist ungefähr 10 Newton. FG m g DIE MASSE (m) Jedes Material, jeder Körper, jeder Stoff besteht aus kleinsten Teilchen. Wir nennen sie . Die verschiedenen Stoffe bestehen aus verschiedenen Atom-sorten. Deshalb können gleich grosse Körper verschieden schwer sein. Wir bezeichnen die Stoffmenge/Materialmenge aus der ein Körper besteht, als seine Masse. Wenn ich eine bestimmte Masse eines Stoffes von einem Ort zum andern bringe, z.B. von der Erde zum Mond oder von einem Tal auf einen Berg, so bleibt die Zahl und Art der Atome gleich, das bedeutet, die Masse bleibt gleich. Versuche zum Hebel Mechanik 2 Baue den Hebel auf. Hänge ein Gewicht (z.B. 2 Gewichtsstücke) am Hebelarm auf und ein anderes Gewicht (z. B. 1 Gewichtsstück) am anderen. Verschiebe die beiden Anhängelasten so lange, bis der Hebel im Gleichgewicht ist. Stelle nun die Längen der beiden Hebelarme fest (vom Drehpunkt bis zum Aufhängepunkt der Lasten. Wiederhole das Verfahren mit anderen Gewichtskräften. Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. Stecke die Achse durch die Mitte des Hebels. Hänge Gewichtsstücke auf und bringe den Hebel mit einem Kraftmesser in waagrechte Lage. Bestimme die Länge der beiden Hebelarme und die Kräfte. Trage die Resultate in untenstehende Tabelle ein. DER HEBEL Mechanik Hebel im Alltag Zeichne bei den abgebildeten Gegenständen den Drehpunkt und die Hebelarme ein. Zeichne noch mindestens einen Gegenstand, welcher mit Hebeln funktioniert. DREHMOMENT (M) Am Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn das linksdrehende Drehmonemt (M) gleich dem rechtsdrehenden ist. Das Drehmoment ist das Produkt, gebildet aus der Kraft und dem Weg. Die Einheit ist Nm. 3 Mechanik 4 MF.s DAS HEBELGESETZ Aus den Erkenntnissen des Drehmoments lässt sich das Hebelgesetz ableiten: Am Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn die Summe aller Drehmomente Null ist. F1 s1 F2 s2 Aufgaben zum Hebelgesetz: 1. Eine 5 lange Leiter ist horizontal am einen Ende aufgelegt, am anderen Ende trägt Eugen. 2 von Eugen entfernt setzt sich nun Martin auf die Leiter. Wie viel muss Eugen mehr tragen, wenn Martins Gewichtskraft 320N beträgt? 2. Ein Bauer zog mit seinem Traktor mit 5000N an einem Baum, um ihn zu fällen. Das Seil war auf 4 Höhe befestigt. Mit welcher Kraft hätte er auf 2,5 Höhe ziehen müssen? 3. Wie stark muss die hydraulische Presse eines Wagenhebers nach oben drücken, wenn die hintere Radachse des Wagens mit 1200 nach unten drückt? (Die hydraulische Presse liegt 24 cm vom Drehpunkt weg. Der Wagenheber hat eine Länge von 114 cm.) EINFACHE MECHANISCHE MASCHINEN Sie erlauben uns, gleiche Arbeiten mit einer verkleinerten Kraft zu verrichten. Diese Reduktion wird durch eine Verlängerung des Weges erreicht. a) DER ZWEISEITIGE HEBEL Mechanik 5 b) DER EINSEITIGE HEBEL Der einseitige Hebel wird bei folgenden einfachen Maschinen angewendet: Schere Nussknacker Zangen Schubkarren Schraubenschlüssel . c) DIE FESTE ROLLE Die feste Rolle ist im Prinzip ein gleicharmiger Hebel. Daher wird bei ihr keine Kraft gewonnen. Die Kraft wird nur umgelenkt. d) DIE LOSE ROLLE Die Last, die an der losen Rolle hängt, wird auf zwei Seile verteilt. Daher entsteht eine Reduktion der aufzuwendenden Kraft. Mechanik e) DER FLASCHENZUG Am Flaschenzug mit 2 Rollen stellen wir fest, dass die Kraft viermal kleiner ist als da das Gewicht an 4 Seilen hängt. 6 die Last, VERSUCHE ZU ROLLE UND FLASCHENZUG Feste Rolle Mechanik 7 Montiere eine Rolle an der Stativlochplatte. Lege nun eine Schnur über die Rolle und Hänge ein Gewicht an die Schnur. Ziehe nun die Last mit dem Kraftmesser an der Schnur in die Höhe. Welche Kraft benötigst du dazu? Führe den Versuch mit verschiedenen Lasten durch und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. Versuche danach einen Leitsatz zu formulieren. Gewichtskraft Zugkraft Lose Rolle Baue die Rollen wie abgebildet auf. Ziehe die Schnur über die feste Rolle und dann über die lose Rolle. Befestige anschliessend die Schnur an die Befestigung der festen Rolle. Hänge die Last an die lose Rolle. Ziehe mit dem Kraftmesser am Zugseil. Stelle die Kraft fest, welche nötig ist, um die Last nach oben zu ziehen und wieder hinunterzulassen. Verändere die Last. Trage die Resultate in die Tabelle ein. Versuche daraus einen Leitsatz zu formulieren. Gewichtskraft Zugkraft Seillängen an der losen Rolle Wie vorheriger Versuch. Hier wird aber nicht die Zugkraft bestimmt, sondern die zurückgelegte Höhe der Last und die Zuglänge an der Schnur. Notiere die Resultate in der Tabelle. Versuche anschliessend einen Leitsatz zu formulieren. Mechanik Anzahl Tragseile 8 Höhendifferenz Last Zuglänge Flaschenzüge Befestige die eine Rolle des Flaschenzuges am Stativ und befestige die Schnur an der Rolle. Ziehe das Seil von hier aus zuerst um die kleinste untere, dann um die kleinste obere Rolle. Betreibe den Flaschenzug zuerst mit zwei, dann mit vier und schliesslich mit sechs Rollen. Hänge jeweils eine Last an die unterste Rolle und ziehe mit dem Kraftmesser am Zugseil. Notiere die Gewichtskraft der Last und die gemessenen Kräfte am Flaschenzug. Trage die Resultate in die Tabelle ein. Notiere dir am Schluss einen Leitsatz. Last Zugkraft 2 Rollen Zugkraft 4 Rollen Zugkraft 6 Rollen DIE ARBEIT (W) Mechanische Arbeit: Einen Körper ziehen, eine Kurbel drehen, . Die verrichtete mechanische Arbeit hängt vom Weg (s) und der Kraft (F), die in der Richtung der Strecke wirkt, ab. WF.s Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J). 1 1 Nm Mechanik 9 Für die Hebearbeit gilt: WH m g h (m g F ;h s) Berechne folgende Arbeiten: 1. Hans zieht ein Leiterwägeli mit einer Kraft von 60N 700 weit. Welche Arbeit verrichtet er? 2. Herr Saurer macht mit seinem Auto eine Ferienreise von 708 km Länge. Für seine Campingausrüstung hat er einen kleinen Anhänger an seinem Wagen angehängt. Die mittlere Zugkraft beträgt 270N. Welche Mehrarbeit muss das Auto erbringen? 3. Das Tannzapfengewicht einer Kuckucksuhr (m 1,4 kg) wird 1,25 hochgezogen. Wie gross ist die Hebearbeit? 4. Frau Schweizer ist 76,5 kg schwer. Sie steigt von Mülenen (690 m.ü.M.) bis auf den Niesengipfel (2360 m.ü.M.). Wie gross ist die verrichtete Arbeit? DIE LEISTUNG (P) Die Leistung ist die Arbeit dividiert durch die Zeit, während der sie verrichtet wird. Arbeit Leistung -------Zeit P --t Für die Leistung ergeben sich folgende Einheiten: 1 Watt 1 1 Nm/s 1 J/s Mechanik 10 In der Technik ist auch noch die Einheit PS gebräuchlich (1 PS 736 W). Berechne folgende Leistungen: 1. Fritz zieht einen beladenen Leiterwagen mit einer Kraft von 130N und einer Geschwindigkeit von 1,5 m/s. Welche Leistung vollbringt Fritz (in PS)? 2. In einem Kraftwerk fliessen pro Minute 8400 m3 Wasser durch die Turbinen. Die Stauhöhe beträgt 4,5 m. Wie gross ist die Leistung des Wassers? 3. Emil dreht mit einer Kraft von 15N an der 28 cm langen Kurbel eines Rührwerks. Welche Leistung erbringt er, wenn er die Kurbel 40 mal in der Minute dreht? Mechanik 11 Berechnen der Leistung für das Treppensteigen Name Gewicht in kg Zeit in Sekunden Weg (Höhe) in Meter Erdanziehung in Newton 57 51 50 42 53 83 53 68 50 51 70 40 81 62 72 47 62 42 75 7.5 8 8.1 7.5 8.5 8 7.1 9.1 7 8.1 9.5 8.2 9.8 8 10.8 7.3 8.8 7.8 9.6 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 9.81 Auftrag: 1. Erstelle obenstehende Tabelle (inkl. Überschrift) in der Tabellenkalkulation Works. 2. Erstelle eine Rangliste nach der Zeit! Verwende dazu den Befehl Sortieren! 3. Berechne die Leistung für jeden einzelnen Schüler mit Hilfe der Tabellenkalkulation! 4. Erstelle anhand der Berechnungen m geine Rangliste nach der Leistung! P 5. Drucke die beiden Ranglisten aus! 6. Vergleiche mit der Beilage! Mechanik Rangliste nach Leistung Rangliste nach Zeit Rang 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Name 12 Rang Zeit in Sekunden 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Name Leistung in Watt Mechanik 13 PROBE: e h n k 1. Nenne den Unterschied zwischen der Gewichtskraft und der Masse! 2. Weshalb können wir in jeder Erdlage senkrecht stehen und fallen nicht um? 3. Ein Gegenstand wiegt 105 kg. Dieser soll um 1,5 gehoben werden. Dies gelingt Eugen nicht. Er kann ihn lediglich ziehen. Weshalb fällt ihm dies leichter? 4. Nenne die Einheit von a) der Kraft b) der Arbeit c) der Leistung 5. Weshalb ist die Erdanziehung nicht überall gleich gross? 6. Nenne einige einfache mechanische Maschinen! 7. Formuliere das Hebelgesetz? Mechanik 14 8. Mit einem Flaschenzug soll eine Last von 160 kg gehoben werden. Der verwendete Flaschenzug besteht aus 4 Rollen. Mit welcher Kraft muss gezogen werden. 9. Wie geht es am leichtesten? Kreuze jeweils die richtige Lösung an! 10. Fülle die Lücken! Bei der Arbeit spielen nur und eine Rolle, bei der Leistung aber auch noch. Die Leistung ist um so grösser, je eine Arbeit ausgeführt wird. 11. Wovon hängt die Reibungskraft ab? 12. Wo ist im Alltag grosse Reibung erwünscht? Mechanik 15 Name: PROBE: e h n k 1. Weshalb können wir in jeder Erdlage senkrecht stehen und fallen nicht um? 2. Ein Gegenstand wiegt 105 kg. Dieser soll um 1,5 gehoben werden. Dies gelingt Eugen nicht. Er kann ihn lediglich ziehen. Weshalb fällt ihm dies leichter? 3. Nenne die Einheit von a. der Kraft b. der Arbeit c. der Leistung 4. Weshalb ist die Erdanziehung nicht überall gleich gross? 5. Nenne einige einfache mechanische Maschinen! 6. Formuliere das Hebelgesetz? 7. Mit einem Flaschenzug soll eine Last von 160 kg gehoben werden. Der verwendete Flaschenzug besteht aus 4 Rollen. Mit welcher Kraft muss gezogen werden. 8. Wovon hängt die Reibungskraft ab? 9. Wo ist im Alltag grosse Reibung erwünscht? 10. Wenn du einen Ball im hohen Bogen wegwirfst, ändert er dauernd seine Richtung. Warum? 11. Ein 80 kg schwerer Bergsteiger steigt 1000 in die Höhe. Welche Arbeitet verrichtet er? 12. Ein Spielzeugmotor wird von einer Solarzelle angetrieben. Er kann einen Gegenstand von 100 in 4 Sekunden 6 Meter transportieren. Berechne die Leistung. 13. Wie geht es am leichtesten? Kreuze jeweils die richtige Lösung an! Mechanik 14. Welche Kraft zeigt der Kraftmesser an? (1 Gewichtsstein 1 Newton) 16 Mechanik 17 Name: PROBE: e h n k 1. Nenne den Unterschied zwischen der Gewichtskraft und der Masse! 2. Weshalb können wir in jeder Erdlage senkrecht stehen und fallen nicht um? 3. Ein Gegenstand wiegt 105 kg. Dieser soll um 2 gehoben werden. Dies gelingt Eugen nicht. Er kann ihn lediglich ziehen. Weshalb fällt ihm dies leichter? 4. Nenne die Einheit (Mass) von a) der Kraft b) der Arbeit c) der Leistung 5. Weshalb ist die Erdanziehung nicht überall gleich gross? 6. Nenne einige einfache mechanische Maschinen! 7. Formuliere das Hebelgesetz? Mechanik 18 8. Mit einem Flaschenzug soll eine Last von 160 kg gehoben werden. Der verwendete Flaschenzug besteht aus 4 Rollen. Mit welcher Kraft muss gezogen werden. 9. Wie geht es am leichtesten? Kreuze jeweils die richtige Lösung an! 10. Fülle die Lücken! Bei der Arbeit spielen nur und eine Rolle, bei der Leistung aber auch noch. Die Leistung ist um so grösser, je eine Arbeit ausgeführt wird. 11. Wovon hängt die Reibungskraft ab? 12. Wo ist im Alltag grosse Reibung erwünscht? Mechanik 13. 19 Ein Bergsteiger (80 kg) steigt 1000 in die Höhe. Welche Arbeitet verrichtet er? Berechne! 14. Welche Kraft zeigt der Kraftmesser an? (1 Gewichtsstein 1 Newton) 15. Herr Schütz (m 100 kg) und sein Sohn Emil (m 25 kg) wollen eine 10 lange Wippe gemeinsam benutzen. Löse mit Hilfe einer Rechung, wo sie sich auf der Wippe hinsetzen müssen. Zeichne dies zudem ein. 16. Zeichne einen Flaschenzug mit 4 Rollen. Lernziele Mechanik • • • • Du kennst den Unterschied zwischen der Gewichtskraft und der Masse Du weisst, weshalb wir in jeder Erdlage senkrecht stehen und nicht umfallen Du kannst die Einheiten (Masse) der Kraft, Arbeit und Leistung nennen Du weisst, weshalb die Erdanziehung nicht überall gleich gross ist Mechanik • • • • • • Du kannst einige einfache mechanische Maschinen aufzählen Du kennst das Hebelgesetz Du kennst den Unterschied von Arbeit und Leistung Du weisst, wovon die Reibungskraft abhängt und wo im Alltag grosse Reibung erwünscht ist Du kannst die Hebearbeit berechnen Du kannst einen Flaschenzug zeichnen 20