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SG072 Hooke'sches Gesetz

© H. Hübel Würzburg 2013

Ohm'sches Gesetz

Spannenergie

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Das Hooke'sche Gesetz in der Formulierung der Schule heißt:

F = D·s

F ist dabei die dehnende Kraft, s die Dehnung und D die Federhärte. In Worten besagt das Hooke'sche Gesetz:

Innerhalb des Gültigkeitsbereichs des Hooke'schen Gesetzes sind dehnende Kraft F und Dehnung s zueinander proportional.

Wenn die Federhärte D konstant ist, wächst die Dehnung s mit zunehmender dehnender Kraft F. Umgekehrt: Für wachsende Dehnung s ist eine zunehmende dehnende Kraft nötig.

Bei konstanter Federhärte D bewirkt eine doppelte (dreifache, ... ) dehnende Kraft F eine doppelte (dreifache, ... ) Dehnung s. Umgekehrt erfordert eine doppelte (dreifache, ... ) Dehnung s eine doppelte (dreifache, ... ) dehnende Kraft F.

Abb. 1:

Zeichnet man ein s-F-Diagramm (F nach oben, s nach rechts; oft wird es auch F(s)-Diagramm genannt), dann erkennt man im Gültigkeitsbereich des Hooke'schen Gesetzes das Stück einer Ursprungsgerade. Dort ist die Steigung ΔF/Δs = F/s konstant. Die Federhärte D ist die Steigung des s-F-Diagramms.

Näheres zur Steigung ΔF/Δs hier.

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Aus der Proportionalität zwischen F und s folgt eine quadratische Abhängigkeit der Spannenergie Esp von der Dehnung s.

Beim Federpendel, bei dem eine Feder mit einem Pendelkörper der Masse m belastet ist, ist es manchmal sinnvoll, statt der dehnenden Kraft F eine rücktreibende Kraft F' zu betrachten. Statt von einer Dehnung s spricht man hier von einer Auslenkung x. Man stellt sich ein Koordinatensystem vor, dessen Ursprung in die Ruhelage der Pendelmasse gelegt wird. x ist dann die Koordinate des Orts längs der Feder. Wenn der Pendelkörper durch eine dehnende Kraft F festgehalten wird, also bei Kräftegleichgewicht, sind beide Kräfte entgegengesetzt gleich: F = - F'. Deshalb gilt für die rücktreibende Kraft ganz ähnlich:

F' = - D·x

und sogar vektoriell mit der Rückstellkraft F' und dem Ortsvektor x:

F' = - D·x

Das Minuszeichen besagt: Rückstellkraft F' und Ortsvektor x sind stets entgegengesetzt gerichtet. Nur, wenn x = 0, wenn sich also der Pendelkörper in der Ruhelage befindet, verschwindet die Rückstellkraft. Je nach der Position x des Pendelkörpers wirkt stets eine Rückstellkraft F' mit der Richtung und dem Betrag der Gesetzmäßigkeit. Das gilt auch dann, wenn keine äußere Kraft F vorhanden ist.

F' heißt Rückstellkraft, weil sie versucht, den Pendelkörper stets in seine Ruhelage (x = 0) zurückzustellen.

(vgl. SG072a Kräfte an der Feder)

( September 2013; April 2023 ergänzt)