Physik – Mechanik – Flaschenzug

Flaschenzug: Weg, Kraft und Energie beim Heben

Versuchsaufbau (Video ohne Ton)

Versuchsdurchführung (Video ohne Ton)

Übungen

Übung 1

Übung 2

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema	Einfache Maschinen
Klassenstufen	7 bis 8
Wer experimentiert?	Schülerinnen und Schüler im Unterricht in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziele und Kompetenzen	Die Schülerinnen und Schüler: können Versuche mit loser Rolle, fester Rolle und Flaschenzug aufbauen und Wege und Kräfte messen  erkennen, dass zwar Kraft gespart werden kann, die eingesetzte Energie aber immer gleich bleibt.

Vorausgesetzte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler:

• sind mit den physikalischen Größen Kraft und Energie vertraut.
• können Kräfte mit einem Federkraftmesser messen.

Materialliste

je Versuchsgruppe:

• 2 Stativstäbe, 250 mm, 12 mm Ø
• Stativstab mit Gewinde, 750 mm
• 2 Ringe mit Haken
• Stativklemme
• Stativplattenfuß, 210 x 130 mm
• 3 Doppelmuffen
• Tonnenfuß
• Klemme
• Maßstab, 100 cm, mit Blockskala
• Paar Zeiger, verschiebbar
• Kraftmesser, 10 N
• Gewicht mit Haken, 1.000 g
• Lose Rolle mit 1 Haken, 58 mm Ø
• Flaschenzug, zweirollig
• Schnur, 3 mm Ø
• farbiges Klebeband

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Hinweise zur Vorbereitung

Alle Materialien (Geräte, Arbeitsblätter, Hilfeblätter, Protokollvorlagen) müssen für jede Versuchsgruppe bereitgestellt werden, zum Beispiel in Körben, auf Tabletts oder in Schalen.

Die Passung des Maßstabs im Tonnenfuß muss ggf. verbessert werden. Die Seilstücke sollten ca. 0,5 m (feste und lose Rolle) bzw. 1,5 m (Flaschenzug) lang sein. Für den Teilversuch mit dem Flaschenzug könnte ggf. der Wechsel des Kraftmessers die Messgenauigkeit erhöhen. Mit den Schülerinnen und Schülern sollte unbedingt das Ablesen auf Augenhöhe geprobt werden.

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Der Versuch beginnt üblicherweise mit der Fragestellung (Welchen Einfluss haben eine lose Rolle, eine feste Rolle und ein Flaschenzug auf das Heben eines Körpers?) und dem Formulieren von Vermutungen hinsichtlich der Wege, Kräfte und Energien. Beim Aufbauen der Rollen und dem Verbinden mit der Schnur benötigen die Schülerinnen und Schüler Fingerspitzengefühl, um den Versuchsaufbau für die Messungen sicher zu stabilisieren. 

Möglicher Versuchsablauf: 

• Bauelemente auf dem Tisch vorsortieren (entsprechend der Versuchsskizze)  

• Versuch aufbauen und in Betrieb nehmen  

• Wege und Kräfte auf der Hub- und Zugseite für die feste Rolle, lose Rolle und den Flaschenzug bestimmen 

• Ergebnisse protokollieren und den Versuch auswerten 

Entsprechend dem Niveau der Schülerinnen und Schüler kann das Video auch als Hilfe für den Versuch eingesetzt werden oder abschließend als Zusammenfassung zu diesem Versuch gezeigt werden.   

Hinweise zur Auswertung

Die Ergebnissicherung erfolgt im Anschluss an den Versuch mit der Bearbeitung der editierbaren Protokollvorlage. Dabei wird anhand der Beobachtungen und Messungen erkannt, dass bei einer festen Rolle sich die Wege und Kräfte beim Ziehen an der Schnur nicht ändern, aber das Heben durch Umlenken der Schnur bequemer wird. Bei der losen Rolle muss nur die halbe Zugkraft aufgewendet werden, dafür aber der doppelte Weg mit der Schnur zurückgelegt werden. Beim zweirolligen Flaschenzug mit 4 tragenden Seilstücken wird nur ¼ der Hubkraft zum Heben benötigt, dafür muss aber der 4-fache Weg mit der Schnur zurückgelegt werden. Es gelten die Goldene Regel der Mechanik: „Was an Kraft eingespart wird, muss an Weg zugesetzt werden.“ und der Energieerhaltungssatz. 

Teilversuch	Zugweg s (gerundet)	Zugkraft F (gerundet)	E = F · s
1: feste Rolle	45 cm – 35 cm = 10 cm = 0,10 m	10 N	E = 1,0 Nm
2: lose Rolle	40 cm – 18 cm = 22 cm = 0,22 m	5 N	E = 1,1 Nm
3: Flaschenzug	49 cm – 8 cm = 41 cm = 0,41 m	2 N	E = 0,8 Nm

 

Downloads

(jeweils editierbare Worddateien)

Weiteres

Projektidee „Flaschenzug – selbst gebaut“: Die Schülerinnen und Schüler lassen sich durch eine Internetrecherche zum Thema inspirieren. Sie planen, bauen, erproben und untersuchen einen Flaschenzug in der Gruppe, zum Beispiel aus Holzleisten, Seilen und Ösen. 

Autor: Dr. Dietmar Karau