Versuch: Zentrifugalkraft · 2019-10-21 · Für die Konstruktion einer neuen Zentrifuge sollen zunächst grundsätzliche Untersuchungen durchgeführt werden. (Abhängigkeit der Kraft

Semester: WS 19/20 Name: MusterwerteGruppe/Team: A1 Versuchsteil: 1

Tabellenblatt Beschreibung

Auftrag Gesamtauftrag für den Versuch Zentrifugalkraft

A1-A4 Versuchsanleitungen sowie wichtige Hinweise

M1-M4 Datenblatt zur Aufnahme der Messdaten und Auswertung

Drehzahlen Ermittlung der Drehzahl pro Schalterstellung

Kraft-Ausschlag Ermittlung des Kraft-Ausschlag-Koeffizienten

Infos Allgemeine Infos und FAQ's

FAQ Häufig gestellte Fragen zum Versuch

Geräte Angaben zu Gerätedaten

Testat Nähere Hinweise zur Erlangung des Abtestats

ZENVersuch: Zentrifugalkraft

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

ZENIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Gesamtauftrag

Einzelaufträge

Ihre Firma wurde beauftragt, eine neue Zentrifuge mit höherer Saftgewinnung zu entwickeln. Dazu sollen die Auswirkungen des Schleudervorgangs auf die Extraktion von Frucht- und Gemüsesäften untersucht werden.

ZEN1:Für die Konstruktion einer neuen Zentrifuge sollen zunächst grundsätzliche Untersuchungen durchgeführt werden. (Abhängigkeit der Kraft vom Radius, von der Masse und von der Geschwindigkeit). Außerdem ist die Frage der Drehzahlbestimmung von großer Bedeutung. Es soll untersucht werden wie genau eine Handmessung im Vergleich zu einer computergestützten Messung ist und wo ihre Grenze liegt.

ZEN2:Für die Konstruktion einer neuen Zentrifuge sollen zunächst grundsätzliche Untersuchungen durchgeführt werden. (Abhängigkeit der Kraft vom Radius, von der Masse und von der Geschwindigkeit) Außerdem ist die Frage der Drehzahlbestimmung von großer Bedeutung. Es soll untersucht werden wie genau eine Handmessung im Vergleich zu einer computergestützten Messung ist und wo ihre Grenze liegt.

ZEN3:Für die Saftextraktion soll modellhaft an einem Schwamm untersucht werden, welchen Einfluss die Drehzahl hat und wann mit der größten Saftextraktion zu rechnen ist.

ZEN4:Für die Saftextraktion soll modellhaft an einem Schwamm untersucht werden, welchen Einfluss die Schleuderdauer hat und wann mit der größten Saftextraktion zu rechnen ist.

ZEN1Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Versuchsanleitung

1. Bestimmung der Zentrifugalkraft mit der Lichtschranke und Handstoppuhr

Wählen Sie für den Versuch das Massenstück mit der Masse von ca. 25 g und einen Radius r mit der Länge von ca. 19 cm. Bestimmen Sie die Masse genau auf der Digitalwaage und die Länge der Schnur mit der Schieblehre.

Befestigen Sie die Schnur zwischen Spiegel und Massenstück. Achten Sie darauf, dass das Massenstück nach hinten genügend Platz zur Auslenkung hat. Schalten Sie den Laserstift ein und justieren Sie ihn so, dass er auf den Spiegel scheint und auf die Ableseskala zurückgeworfen wird. Justieren Sie den Lichtfleck durch Verstellen der Ableseskala auf 0. Stellen Sie nun eine Geschwindigkeit am Netzgerät ein. Notieren Sie, auf welchem Skalenteil Sie den Lichtfleck auf der Skala sehen können. Ermitteln Sie nun gleichzeitig zweimal die Zeit für 1 Umdrehung mit dem Datenlogger und zweimal die Zeit für 10 Umdrehungen mit der Stoppuhr. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit etwas und fahren Sie auf gleiche Weise mit den Messungen fort, bis sie mindestens 5 Wertepaare ermittelt haben.

Hinweise:

Um bei der Ermittlung mit der Stoppuhr keine zu großen Fehler zu erzielen, nehmen Sie die Zeit für 10 Umdrehungen. Versuchen Sie die Wertepaare im Skalenbereich von ca. 3 bis 9 Skalenteile zu ermitteln. Bei zu geringer Geschwindigkeit ist die Kraft nicht groß genug, um die Schnur genügend zu spannen; bei zu hoher Geschwindigkeit wird die Zeitermittlung schwierig.

Der Kraft-Ausschlag-Koeffizient wurde in einem Vorversuch ermittelt. Mithilfe einer Federwaage, die über eine Rolle und einen Faden mit dem Spiegel verbunden wurde, wurde jedem Skalenteil eine Kraft zugeordnet. Die Auswertung befindet sich im Versuchsordner.

Die Aufgaben 1 und 2 müssen nacheinander durchgeführt werden. Unterstützen Sie sich daher bei der jeweiligen Versuchsdurchführung.Sie haben für die Durchführung der Aufgaben 1 und 2 60 Minuten Zeit. Beide Aufgaben sind bei zügiger Bearbeitung in jeweils 25 Minuten zu schaffen.

Bitte schalten Sie nach Versuchsende den Laser und das Netzgerät aus!

SicherheitshinweiseAchten Sie darauf, dass lange Haare, Ketten, Schals oder Kleidung nicht in den rotierenden Aufsatz gelangen. In diesem Fall schalten Sie sofort den Motor aus. Benutzen Sie für lange Haare vor Versuchsbeginn ein Haarband.Strahlen aus Laser-Pointern können am Auge Schäden verursachen! Niemals direkt in den Strahl schauen oder den Strahl auf Menschen richten!Tragen Sie eine Schutzbrille!

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik ZEN2Versuchsanleitung

2. Bestimmung der Zentrifugalkraft mit der Lichtschranke und Handstoppuhr

Wählen Sie für den Versuch das Massenstück mit der Masse m von ca. 25 g und einen Radius r mit der Länge von 9,5 cm. Bestimmen Sie die Masse genau auf der Digitalwaage und die Länge der Schnur mit der Schieblehre.

Befestigen Sie die Schnur zwischen Spiegel und Massenstück. Achten Sie darauf, dass das Massenstück nach hinten genügend Platz zur Auslenkung hat. Schalten Sie den Laserstift ein und justieren Sie ihn so, dass er auf den Spiegel scheint und auf die Ableseskala zurückgeworfen wird. Justieren Sie den Lichtfleck durch Verstellen der Ableseskala auf 0. Stellen Sie nun eine Geschwindigkeit am Netzgerät ein. Notieren Sie, auf welchem Skalenteil Sie den Lichtfleck auf der Skala sehen können. Ermitteln Sie nun gleichzeitig zweimal die Zeit für 1 Umdrehung mit dem Datenlogger und zweimal die Zeit für 10 Umdrehungen mit der Stoppuhr. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit etwas und fahren Sie auf gleiche Weise mit den Messungen fort, bis sie mindestens 5 Wertepaare ermittelt haben.

Hinweise:

Um bei der Ermittlung mit der Stoppuhr keine zu großen Fehler zu erzielen, nehmen Sie die Zeit für 10 Umdrehungen. Versuchen Sie die Wertepaare im Skalenbereich von ca. 2 bis 8 Skalenteile zu ermitteln. Bei zu geringer Geschwindigkeit ist die Kraft nicht groß genug, um die Schnur genügend zu spannen; bei zu hoher Geschwindigkeit wird die Zeitermittlung schwierig.

Der Kraft-Ausschlag-Koeffizient wurde in einem Vorversuch ermittelt. Mithilfe einer Federwaage, die über eine Rolle und einen Faden mit dem Spiegel verbunden wurde, wurde jedem Skalenteil eine Kraft zugeordnet. Die Auswertung befindet sich im Versuchsordner.

Die Aufgaben 1 und 2 müssen nacheinander durchgeführt werden. Unterstützen Sie sich daher bei der jeweiligen Versuchsdurchführung.Sie haben für die Durchführung der Aufgaben 1 und 2 60 Minuten Zeit. Beide Aufgaben sind bei zügiger Bearbeitung in jeweils 25 Minuten zu schaffen.

Bitte schalten Sie nach Versuchsende den Laser und das Netzgerät aus!

SicherheitshinweiseAchten Sie darauf, dass lange Haare, Ketten, Schals oder Kleidung nicht in den rotierenden Aufsatz gelangen. In diesem Fall schalten Sie sofort den Motor aus. Benutzen Sie für lange Haare vor Versuchsbeginn ein Haarband.Strahlen aus Laser-Pointern können am Auge Schäden verursachen! Niemals direkt in den Strahl schauen oder den Strahl auf Menschen richten!Tragen Sie eine Schutzbrille!


3. Bestimmung der Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Drehzahlen

Wiegen Sie den Schleuderkorb auf der Digitalwaage. Wiegen Sie anschließend den trockenen Schwamm. Sollte der Schwamm noch von der Vorgruppe nass sein, verzichten Sie auf das Wiegen und nutzen den Wert aus der Tabelle im Versuchsordner.Geben Sie den Schwamm nun einmal längs gefaltet und aufgerollt in den Schleuderkorb und befüllen ihn mit Wasser. Achten Sie darauf, dass der Schwamm mit Wasser gesättigt ist, aber kein Wasser ausläuft. Wiegen Sie Korb und Schwamm auf der Digitalwaage.

Setzen Sie nun den Korb mit dem Schwamm in den Behälter. Stellen Sie den Drehknopf am Steuergerät auf 3. Lassen Sie den Motor nun 60 s laufen. Entnehmen Sie danach den Korb inkl. Schwamm und bestimmen Sie die Masse auf der Digitalwaage. Geben Sie mit der Pipette soviel Wasser auf den Schwamm, dass er ca. die gleiche Masse wie am Beginn der Messung hat. Erhöhen Sie nun die Drehzahl wie in der Vorlage angegeben und wiederholen Sie die Messung. Führen Sie für eine belastbarere Aussage den Versuch ein zweites Mal durch.

Machen Sie sich bei der Versuchsvorbereitung mit dem Begriff des asymptotischen Verlaufs vertraut.

Hinweise

Da bei diesem Versuch relativ hohe Drehzahlen eingestellt werden, spritzt das Wasser aus dem Korb heraus. Daher wird eine Plastikschüssel über das Zentrifugenmodell gestülpt, die am Deckel unten befestigt wird. Legen Sie ein Küchenhandtuch unter den Versuchsaufbau um zu vermeiden, dass Wasser auf den Motor tropft. Das angesammelte Wasser kann durch ein Loch am Plastikdeckel abgelassen werden. Vergessen Sie nicht vor dem nächsten Versuch das Loch mit einem Stopfen zu verschließen.

Da das Wasser aus dem Behälter bei hohen Drehzahlen herausgeschleudert wird, ist eine Leerung des Behälters nicht erforderlich.

Sie haben für die Durchführung der Aufgabe 3 60 Minuten Zeit. Die Aufgabe ist bei zügiger Bearbeitung in 40 Minuten zu schaffen.

SicherheitshinweiseAchten Sie darauf, dass lange Haare, Ketten, Schals oder Kleidung nicht in den rotierenden Aufsatz gelangen. In diesem Fall schalten Sie sofort den Motor aus. Benutzen Sie für lange Haare vor Versuchsbeginn ein Haarband. Tragen Sie eine Schutzbrille!


4. Bestimmung der Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Schleuderdauern

Wiegen Sie den Schleuderkorb auf der Digitalwaage. Wiegen Sie anschließend den trockenen Schwamm. Sollte der Schwamm noch von der Vorgruppe nass sein, verzichten Sie auf das Wiegen und nutzen den Wert aus der Tabelle im Versuchsordner.Geben Sie den Schwamm nun einmal längs gefaltet und aufgerollt in den Schleuderkorb und befüllen ihn mit Wasser. Achten Sie darauf, dass der Schwamm mit Wasser gesättigt ist, aber kein Wasser ausläuft. Wiegen Sie Korb und Schwamm auf der Digitalwaage.

Setzen Sie den Korb passend mit den Führungsschlitzen in den Becher. Stellen Sie die Spannung auf 10 Volt. Schalten Sie den Motor für 10 s lang ein. Entnehmen Sie den Korb inkl. Schwamm und ermitteln Sie die Masse auf der Digitalwaage. Setzen Sie danach den Korb wieder ein und schleudern Sie weitere 15 s. Wiederholen Sie den Versuch und orientieren Sie sich bei den Schleuderzeiten an den Daten in den Vorlagen. Führen Sie für eine belastbarere Aussage den Versuch ein zweites Mal durch.

Sie haben für die Durchführung der Aufgabe 4 60 Minuten Zeit. Die Aufgabe ist bei zügiger Bearbeitung in 25 Minuten zu schaffen.

Machen Sie sich bei der Versuchsvorbereitung mit dem Begriff des asymptotischen Verlaufs vertraut.

SicherheitshinweiseAchten Sie darauf, dass lange Haare, Ketten, Schals oder Kleidung nicht in den rotierenden Aufsatz gelangen. In diesem Fall schalten Sie sofort den Motor aus. Benutzen Sie für lange Haare vor Versuchsbeginn ein Haarband. Tragen Sie eine Schutzbrille!

durchgeführt von:

Masse m = 25,077 gBahnradius r = 19,2 cm

88,953 mN /Skt

Messung 1 Messung 2 MittelwertAusschlag Zeit Zeit Zeit FAusschlag Winkelgeschw. FZeit

A in Skt t ins t in s t in s k·A in mN ω in 1/s m·ω²·r in mN3,0 0,88 0,86 0,87 267 7,2 2514,0 0,75 0,76 0,76 356 8,3 3335,0 0,67 0,65 0,66 445 9,5 4366,0 0,60 0,60 0,60 534 10,5 5287,0 0,55 0,56 0,56 623 11,3 6178,0 0,52 0,52 0,52 712 12,1 7039,0 0,48 0,48 0,48 801 13,1 825

Messung 1 Messung 2 MittelwertAusschlag Zeit (10 U) Zeit (10 U) Zeit (1 U) FAusschlag Winkelgeschw. FZeit

A in Skt t in s t in s t in s k·A in mN ω in 1/s m·ω²·r in mN3,0 8,63 8,53 0,858 267 7,3 2584,0 7,47 7,44 0,746 356 8,4 3425,0 6,66 6,59 0,663 445 9,5 4336,0 6,13 5,97 0,605 534 10,4 5197,0 5,32 5,56 0,544 623 11,5 6428,0 5,25 5,16 0,521 712 12,1 7029,0 4,66 4,82 0,474 801 13,3 846

F Ausschlag : Zentrifugalkraft, berechnet aus der Messung des Ausschlags AF Zeit : Zentrifugalkraft, berechnet aus der Zeitmessung für eine Umdrehung

Funktion der Trendline: y = mx + b

Datenlogger Stoppuhr Datenlogger StoppuhrR² = 0,9961 0,9962 m = 1,0034 0,9892

Tragen Sie Ihre ermittelten Werte in untenstehende Tabelle ein.

Datenlogger

Stoppuhr


ZEN1Musterwerte

1. Bestimmen der Zentrifugalkraft mit Lichtschranke und StoppuhrKonstante Größen

Kraft-Ausschlag-Koeffizient k =

R² = 0,9961 R² = 0,9962

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 2 4 6 8 10

Zeit

t in

s

Ausschlag A in Skt

Zeit gegen Ausschlag y = 1,0034xR² = 0,9931

y = 0,9892xR² = 0,9869

0

200

400

600

800

1000

100 300 500 700 900 1100

Kraf

t aus

Aus

schl

agsm

essu

ng

Kraft aus Zeitmessung

FAusschlag gegen FZeit

durchgeführt von:

Masse m = 25,077 gBahnradius r = 9,6 cm

88,953 mN /Skt

Messung 1 Messung 2 MittelwertAusschlag Zeit Zeit Zeit FAusschlag Winkelgeschw. FZeit

A in Skt t ins t in s t in s k·A in mN ω in 1/s m·ω²·r in mN2,0 0,67 0,71 0,69 178 9,1 2003,0 0,57 0,56 0,57 267 11,1 2984,0 0,50 0,50 0,50 356 12,6 3805,0 0,44 0,44 0,44 445 14,3 4916,0 0,41 0,40 0,41 534 15,5 5797,0 0,37 0,38 0,38 623 16,8 6768,0 0,35 0,36 0,36 712 17,7 754

Messung 1 Messung 2 MittelwertAusschlag Zeit (10 U) Zeit (10 U) Zeit (1 U) FAusschlag Winkelgeschw. FZeit

A in Skt t in s t in s t in s k·A in mN ω in 1/s m·ω²·r in mN2,0 6,85 7,06 0,696 178 9,0 1963,0 5,68 5,82 0,575 267 10,9 2874,0 5,03 5,00 0,502 356 12,5 3785,0 4,35 4,59 0,447 445 14,1 4766,0 4,13 4,13 0,413 534 15,2 5577,0 3,59 3,82 0,371 623 17,0 6928,0 3,41 3,68 0,355 712 17,7 756

F Ausschlag : Zentrifugalkraft, berechnet aus der Messung des Ausschlags AF Zeit : Zentrifugalkraft, berechnet aus der Zeitmessung für eine Umdrehung


Datenlogger Stoppuhr Datenlogger StoppuhrR² = 0,9936 0,9941 m = 0,9254 0,9311

Stoppuhr


ZEN2Musterwerte

2. Bestimmen der Zentrifugalkraft mit Lichtschranke und StoppuhrKonstante Größen

Kraft-Ausschlag-Koeffizient k =Tragen Sie Ihre ermittelten Werte in untenstehende Tabelle ein.

Datenlogger

R² = 0,9936 R² = 0,9941

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 2 4 6 8 10

Zeit

t in

s

Ausschlag A in Skt

Zeit gegen Ausschlag y = 0,9254xR² = 0,9981

y = 0,9311xR² = 0,9964

0

200

400

600

800

0 200 400 600 800

Kra

ft au

s Au

ssch

lagm

essu

ng

Kraft aus Zeitmessung

FAusschlag gegen FZeit

durchgeführt von:

Drehzahl (Parameter m) 114,91Drehzahl (Parameter b) -61,871

Radius Behälter 3,25 cmKorb, leer 40,99 g

Schwamm, trocken 10,39 g

Stellung Wasser Wassermvorher in g mnachher in g m in g mvorher in g mnachher in g m in g

3 124,33 116,98 7,35 121,89 117,23 4,664 122,88 107,86 15,02 120,79 109,61 11,186 122,69 92,61 30,08 120,77 95,70 25,078 122,11 83,83 38,28 116,54 77,33 39,2110 122,65 73,98 48,67 114,98 68,61 46,3711 119,22 70,20 49,02 114,78 67,79 46,99

MittelwertStellung Wasser Drehzahl Winkelgeschw. Kraft

m ing 1/min ω in 1/s F in N3 6,01 283 29,6 0,24 13,10 398 41,7 0,76 27,58 628 65,7 3,98 38,75 857 89,8 10,210 47,52 1087 113,9 20,011 48,01 1202 125,9 24,7

Korb und Schwamm Korb und Schwamm

Ergebnisdiagramme

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik ZEN3Musterwerte

3. Bestimmung der Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Drehzahlen

Konstante Größen


Messung 1 Messung 2

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Was

sere

xtra

ktio

n in

g

Drehzahl in 1/min

Wasserextraktion gegen Drehzahl

durchgeführt von:

Messung 1 Messung 2Korb, leer g

Schwamm, trocken gKorb, Schwamm und Wasser 130,27 119,28 g

Wasser 79,21 68,22 g

Lfd. Nr Einzelvorgang Gesamtzeit extrahiertes Messung1 Messung2 Mittelwert Wasser

in s in s in g in g in g in g1 10 10 114,760 107,120 110,940 13,8352 15 25 111,120 105,290 108,205 16,5703 20 45 107,360 103,330 105,345 19,4304 30 75 103,500 101,390 102,445 22,3305 45 120 101,640 100,470 101,055 23,7206 60 180 99,650 99,520 99,585 25,1907 75 255 97,500 99,250 98,375 26,4008 90 345 97,080 98,911 97,996 26,780

11,3


Masse Korb und Schwamm

Ergebnisdiagramme

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik ZEN4Musterwerte

4. Bestimmung der Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Schleuderdauern

Konstante Größen

39,76

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Was

sere

xtra

ktio

n in

g

Schleuderdauer in s

Wasserextration gegen Schleuderdauer

Steuergerät Drehzahlin Skt Messung 1 Messung 2 Messung 3 Mittelwert in 1/min

1 6,53 3,34 5,32 5,063 122 0,397 0,396 0,385 0,393 1533 0,199 0,204 0,209 0,204 2944 0,145 0,146 0,143 0,145 4155 0,110 0,110 0,110 0,110 5456 0,092 0,093 0,092 0,092 6507 0,080 0,081 0,079 0,080 7508 0,071 0,071 0,070 0,071 8499 0,062 0,062 0,062 0,062 968

10 0,054 0,056 0,055 0,055 109111 0,050 0,050 0,049 0,050 120812 0,046 0,047 0,047 0,047 1286


m = 114,91b = -61,871

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik ZENErmittlung der Drehzahl in Abhängigkeit von der Stellung des Drehknopfes

Ergebnisdiagramm

Zeit für ein Umdrehung in s

y = 114,91x - 61,871R² = 0,9973

0200400600800

100012001400

0 2 4 6 8 10 12 14Um

dreh

unge

n in

Skt

Einstellung Drehknopf in Skt

Umdrehungen gegen Skalenteil

Ausschlag in Skt Kraft in mN0 01 1002 1803 2704 3505 4306 5407 6108 7009 810

10 89011 990


ZENErmittlung des Kraft-Ausschlag-Koeffizienten

y = 88,953xR² = 0,9992

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10 12

Kraf

t in

mN

Ausschlag in Skt

Kraft gegen Ausschlag


ZEN Infos

FAQ's allgemein

Versuch 1 und 2 Lassen Sie das Radialkraftgerät erst laufen und stellen Sie den gewünschten Ausschlag

ein, bevor Sie die Zeitmessung mit der Stoppuhr und Datenlogger beginnen. Führen Sie die Zeitmessung mit Datenlogger und Stoppuhr gleichzeitig durch.

Sie sollen mit der Handstoppuhr die Zeit für 10 Umdrehungen nehmen. Man neigt im Allgemeinen dazu bei der Zählung mit 1 zu beginnen. Wenn Sie die Stoppuhr betätigen, fängt die 1. Umdrehung erst an. Zählen Sie also entweder von 0-10 oder von 1-11 um die richtige Zeit zu ermitteln.

Versuch 3 und 4 Stellen Sie sicher, dass die Achse des Rotationsbehälters in der Motoraufnahme

festgezogen ist, bevor Sie die Spannung einschalten. Achten Sie darauf, dass die Schwämme nicht über den Korb hinausragen, da sonst

Spritzwasser verloren geht.

Lesen die Versuchsanleitungen sorgfältig durch. Viele Hinweise sind darin enthalten. Seien Sie sicher, dass diese Anleitungen nicht zuletzt ein Produkt aus den Erfahrungen vieler Studierender vor Ihnen sind, da wir bemüht sind, die Anregungen und Wünsche Ihrer Kommilitonen in diesen Anleitungen zu berücksichtigen. Sollten Ihnen Fehler auffallen, scheuen Sie sich nicht uns darauf anzusprechen. Wir sind dankbar für jeden Hinweis.

Im ersten Semester finden Sie vorgefertigte Excel‐Mappen vor, in die Sie Ihre Messwerte eintragen können. Nutzen Sie ausschließlich diese Excel‐Vorlagen. Um Sie zu öffnen, gehen Sie genau nach der am Arbeitsplatz liegenden Anweisung vor.

Ein Tipp für das 2. Semester: Diagramme und Berechnungen sind in den Vorlagen bereits vorgefertigt. Im 2. Semester werden Sie selber Formeln und Diagramme erstellen. Schauen Sie sich die eine oder andere Formel mal genauer an um sich vertraut mit der Funktionsweise zu machen. Wenn Sie noch Zeit haben, löschen Sie ein Diagramm und versuchen es selber neu zu erzeugen.

Nach Eingabe Ihrer Messwerte entstehen Berechnungen und Diagramme daraufhin sozusagen automatisch. Nehmen Sie trotzdem die Ergebnisse nicht als ‚gegeben‘ hin, sondern überprüfen Sie sie kritisch! Durch Eingabefehler oder ein falsch gesetztes Komma können Ergebnisse entstehen, die jeglicher Plausibilität entbehren.

Sollten Sie nach angemessener Zeit einen Fehler nicht finden können, rufen Sie die Aufsicht.

Sie müssen im Praktikum mit der Anwendung der Geradengleichung vertraut sein und aus der Geradengleichung die Steigung ablesen können.

Es wird erwartet, dass Sie die prinzipiellen Abläufe und die Bedienungsanleitungen verstanden haben. Der praktische Umgang mit den Geräten wird Ihnen im Praktikum noch erläutert. Rückfragen sind nur vor dem Praktikumstermin möglich.

Schalten Sie Geräte (außer Computer) erst dann ein, wenn die Aufsicht zustimmt.


ZEN FAQ's

ZEN 1 und 2

Was ist der Kraft-Ausschlag-Koeffizient?

Der Spiegel, der einen Lichtfleck auf die Skala wirft, hat eine bestimmte Neigung. Bei einer Rotation wird der Spiegel durch das Massenstück und die Schnur nach hinten ausgelenkt und verändert seine Neigung. Das Ergebnis ist, dass der Lichtfleck auf der Skala steigt. Für jeden Anstieg um einen Skalenteil braucht der Spiegel eine bestimmt Kraft. Diese Kraft pro Skalenteil wird mit dem Kraft-Ausschlag-Koeffizienten ausgedrückt.

Was bedeutet die Abkürzung SKT?Skalenteil

Was ist der Unterschied zwischen FAusschlag und FZeit?

Wie oben geschildert, ist bekannt, wie viel Kraft man benötigt, um den Lichtfleck einen Skalenteil nach oben zu bewegen. Wenn Sie z.B. den Lichtfleck auf Skalenteil 10 bewegen wollen, brauchen Sie 10mal so viel Kraft. Die Größe FAusschlag ist also bekannt, auch wenn Sie keinen Versuch gemacht haben.Bei der Größe FZeit handelt es sich um die gleiche Größe. Sie wird aber aus den Versuchsdaten Masse des Massenstücks, Radius und berechnete Geschwindigkeit ermittelt. Im besten Falle sind beide Größen identisch.

Wieso ist die Abhängigkeit im Diagramm Zeit gegen Ausschlag quadratisch?

Der Ausschlag ist ein Maß für die Kraft. Wenn Sie die Formel F = m · r ·(2πN/t)² näher betrachten, fällt auf, dass es nur eine variable Größe gibt, wenn Sie die Masse und den Radius konstant halten: die Größe t. Da der Wert in Klammern aber den Exponenten 2 aufweist, steht F im Verhältnis zu 1/t²

Was sagt die Steigung im Diagramm FAusschlag gegen FZeit aus?

Wie bereits oben erwähnt, stimmen die Werte der beiden errechneten Kräfte im besten Fall überein. In diesem Fall wären die x-Werte genauso groß wie die y-Werte und die Steigung der Trendlinie wäre 1,0. Die Differenz zu 1 sagt Ihnen also etwas über die Abweichung Ihrer Messungen zu den Berechnungen mit dem Kraft-Ausschlag-Koeffizienten.

Wie kann ich den Unterschied zwischen Aufgabe 1 und Aufgabe 2 darstellen?

Aufgabe 1 und 2 unterscheiden sich nur durch die Größe des Radius bzw. der Masse. Wenn Sie zwei getrennte Diagramme betrachten, fällt ein Vergleich meistens schwer. Versuchen Sie ein Diagramm zu erstellen, in dem Daten aus beiden Versuchsteilen aufgetragen sind.

Wie Sie nun sehen können, unterscheiden sich die Kurven nicht wesentlich in ihrem Verlauf. Jedoch sind die benötigten Umlaufzeiten verschieden hoch. Bei gleicher Masse und einem kleineren Radius muss die Geschwindigkeit erhöht werden um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Um einen Skalenteil von 5 zu erreichen braucht man mit einem Radius von 19 cm ca. 0,68 s, mit dem halben Radius ca. 0,48 s.

ZEN 3 und 4

Wie sollten die Schwammstücke im Schleuderkorb eingelegt werden?

Falten oder schneiden Sie die Schwämme so, dass die Höhe der Schwämme in etwader Höhe des Schleuderkorbes entspricht. Richten Sie sie danach am Rand im Schleuderkorb aus, so dass nichts übersteht. Die Schwammtücher müssen im Korb gleichmäßig verteilt sein, damit keine Unwucht entsteht.

Wie bestimme ich die Wassermasse in den Schwammstücken ohne die Waage zu überlasten bzw. zu verschmutzen?

Wiegen Sie den Korb mit den Schwämmen immer innerhalb einer Plastikschale. So wird der Wägetisch vor Nässe geschützt. Stellen Sie vor der Wägung die Plastikschale auf die Waage, tarieren Sie sie auf 0g und setzen Sie dann den Korb mit den Schwämmen auf.

Was ist zu tun, wenn Wasser auf den Arbeitsplatz spritzt?

Bei Versuch 4 kann es sein, dass Teile der Schwämme über den Rand des Schleuderkorbes hinausgeragen. Stoppen Sie die Zentrifuge und korrigieren Sie den Sitz der Schwämme. Bei Versuch 3 haben Sie eventuell die Schüssel nicht richtig am Deckel befestigt oder vergessen das Loch im Deckel mit dem Stopfen zu schließen.

Welche Bedeutung hat das Register ‚Drehzahlen‘ in der Excelmappe?

Hier wurde in einem Vorversuch die Drehzahl für Versuch 3 bei verschiedenen Schalterstellungen bestimmt. Die Parameter m und b werden benötigt um die Drehzahl berechnen zu können.


Geräte

RadialkraftgerätHersteller: LeyboldTyp: 34722

Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Radialkraft eines umlaufenden Körpers von Masse, Bahnradius und Winkelgeschwindigkeit. Kraftmessung über Torsionsband, dessen Verdrillung statisch kalibriert und mit einem Lichtzeiger sichtbar gemacht wird. Kurzer, am Torsionsband angreifender Hebelarm, so dass die Abstandsänderung des umlaufenden Körpers bei der Kraftmessung vernachlässigbar ist. Auf Haltestiel, ohne Beleuchtungsvorrichtung und Skala.

Technische Daten• Länge des

Grundgerätes: 50 cm • Höhe: 9 cm • Massen der

Probekörper: 12,5 g und 25 g

• Stieldurchmesser: 10 mm

Experimentiermotor mit Steuer- und RegelgerätHersteller LeyboldTyp 34735/34736

Motor:

Anschluss über Steuergerät (347 36) an 230 V; 50/60 HzAufgenommene elektrische Leistung: max 120 WAbgegebene mechanische Leistung: ca. 75 W an der Motorwelle, ca. 55 W an der GetriebewelleAbmessungen: 23 cm x 15 cm x 11 cm, Masse: 4 kg

Steuergerät:

Vielfachbuchse zum Anschluss des Experimentiermotors über Kabel mit VielfachsteckerEin-Aus-Schalter mit BetriebsanzeigeleuchteDrehrichtungsschalter für Rechtslauf, Stillstand, LinkslaufDrehzahlsteller mit elektronischer SanftanlaufsteuerungDrehzahl einstellbar von nahezu Stillstand bis ca. 6000 U min-1 an der MotorachseRegelbereich: 500 bis 5000 U min-1; 10 N cm (Nenn), 25 N cm (Anlauf)bei geringerer Drehzahl Regelabweichung > 20 % möglichthermischer Überstromschutz, der den Motor bei Überlastung (> 0,8 A) abschaltet.NetzanschlusskabelFassung mit Netzsicherung T 1,6 ANetzanschlussspannung: 230 V; 50/60 HzAbmessungen: 8 cm x 19 cm x 5,5 cmMasse: 1,1 kg

Experimentiermotor mit GetriebeHersteller 3B SCIENTIFIC® PHYSICSTyp: U10375

Technische Daten

Nennspannung U0: 12 V DCLeerlaufstrom: ca. 1,2 A, maximal zulässiger Strom: 6 A (maximal 5min.) Drehrichtung: vom Motor aus gesehen rechtsdrehend bei Anschluss von „+“ an die rote und „-“ an die blaue BuchseLeerlaufdrehzahl n0 bei 12 V: siehe TypenschildSpannfutter: 1 - 10 mmDauerschalldruckpegel in 1 m Abstand: 70 dB(A)Die verwendeten Gleichstrommotoren weisen einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung und Drehzahl auf. Daher kann aus den Angaben auf dem Typenschild die Drehzahl für beliebige Spannungen ermittelt werden: n = n0 U / U0.

HandhabungMit diesem Netzteil können Sie die Spannung und den Strom stufenlos einstellen. Für den Versuch ZEN ist lediglich die Spannungseinstellung wichtig.

Schalten Sie das Gerät mit der Powertaste ein. Die LCD-Anzeige leuchtet auf. In der Spalte Limits brauchen Sie keine Einstellungen vornehmen.

Zum Einstellen der gewünschten Spannung drücken Sie auf das kleine u in der Spalte Key Input. Nun können Sie mit dem Rad den gewünschten Wert einstellen. Zur Feineinstellung drücken Sie auf das F für Fine.

Das Gerät lässt sich auch über den Rechner steuern. Starten Sie dazu das Programm DPS. Am Gerät drücken Sie auf die Taste Rem für Remote. Alle Einstellungen können Sie nun auf dem Rechner vornehmen.

Sind die Einstellungen gemacht, können Sie durch Drücken des Knopfes Output I/O den Motor starten und nach dem Versuch auch wieder stoppen.

Lineares Netzteil DPS2010Betriebsspannung: 230 V AV ± 10%Netzfrequenz: 50 HzLeistungsaufnahme: max. ca. 300 VALeistungsabgabe: max. ca. 200 WAuflösung Spannung: 10 mV-SchritteAuflösung Strom: 10 mA-Schritte

BeschreibungDas DPS ist mit seinen stufenlosen Einstellmöglichkeiten von Spannung und Strom universell einsetzbar. Der temperaturgesteuerte Lüfter schützt das DPS vor einer thermischen Überlastung. Eine elektronische Strombegrenzung schütz das DPS vor Überbelastung bzw. einem Kurzschluss am Ausgang. Bei einer solchen Überlastung wird der Ausgang automatisch zurückgeregelt, d. h. es liegt weniger Spannung an als eingestellt wurde. Erst wenn der Kurzschluss beseitigt wurde, wird der Ausgang wieder ‚freigeschaltet’. Die eingestellten Werte sind über eine mehrzeilige, beleuchtete Flüssigkeitskristall-Anzeige ablesbar. Die Spannungs- bzw. Strom- und Leistungseinstellung erfolgt über ein so genanntes Encoder-Rad. Dadurch ist eine exakte Einstellung der Ausgangsspannung und das Ausgangsstroms/Strombegrenzung und der maximalen Ausgangsleistung möglich.

ZENZEN Testat


Zur Erlangung des Testats müssen Sie

• das Antestat bestehen

• die Versuchsdurchführung erfolgreich abschließen

• im Anschluß an den Versuch ein Abschlußgespräch führen, in dem Sie Ihre Versuchsergebnisse darstellen und Empfehlungen zum Auftrag abgeben.

Der Versuch Zentrifugalkraft endet mit einem Abschlußgespräch. Darin sollen folgende Punkte behandelt werden:

Aufgabe 1, 2 Radialkraftgerät

• Beschreibung des Versuchs• Diagramm FAusschlag gegen FZeit: welche Aussage? Was bedeutet die Steigung?• Diagramm Zeit gegen Ausschlag: Warum wird bei zunehmendem Ausschlag die Zeit für

einen Umlauf kleiner?• Beweisen Sie Ihre Empfehlung bzgl. des Radius bzw. der Masse anhand der beiden

Diagramme Zeit gegen Ausschlag. • Vergleich Datenlogger und Stoppuhr. Beweisen Sie, welche Messmethode den geringeren

Messfehler hat anhand des Diagramms FAusschlag gegen FZeit.• Unterschiede zwischen Aufgabe 1 und 2• Wie wirkt sich die Halbierung des Radius bzw. der Masse aus?

Aufgabe 3 Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Drehzahlen

• Diagramm Wasserextraktion gegen Drehzahl: warum verläuft die Abhängigkeit so?• Empfehlung mit Begründung

Aufgabe 4 Schleuderwirkung bei unterschiedlichen Schleuderdauern

• Diagramm Wasserextraktion gegen Schleuderdauer: warum verläuft die Abhängigkeit so?• Empfehlung für eine zeitliche Begrenzung

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Versuch: Zentrifugalkraft · 2019-10-21 · Für die Konstruktion einer neuen Zentrifuge sollen zunächst grundsätzliche Untersuchungen durchgeführt werden. (Abhängigkeit der Kraft