Auf Initiative unseres Physiklehrers  haben sich einige Schüler der 11. Klasse zusammengefunden, in einem Versuch die Erdbeschleunigung g = 9,81 so genau wie möglich zu bestimmen.

Eine Stahlkugel soll im freien Fall eine möglichst lange Strecke frei durchfallen. Aus der Fallzeit und der Fallstrecke kann die Gravitationsbeschleunigung berechnet werden.

Es wurden folgende Geräte verwendet:

- 2 Lichtschranken
- eine digitale Stoppuhr
- ein ausschaltbarer Elektromagnet
- die für diese Geräte benötigten Kabel und Verbindungsstecker

Es wurden folgende Geräte verwendet:

- 2 Lichtschranken
- eine digitale Stoppuhr
- ein ausschaltbarer Elektromagnet
- die für diese Geräte benötigten Kabel und Verbindungsstecker

Des weiteren wurden folgende Materialien verwendet:

- eine Stahlkugel
- ein Beschwerungsgewicht
- eine Angelschnur extrem reißfest
- Stahlstangen und - klammern
- eine Spiralfeder
- ein 1-Meter-Lineal
- Holzstab und Wäscheklammer

Beschreibung des Versuchsaufbaus:

Unser Versuchsaufbau bestand im oberen Teil aus einem Metallgestell, an dem sowohl Lichtschranke als auch Elektromagnet befestigt waren. Ein Faden wurde so angebracht, dass er am Elektromagneten vorbei und durch die Lichtschranke hindurchlief. So konnte die dem Faden entlang laufende Kugel im minimalen Abstand zur oberen Lichtschranke ohne zu wackeln gehalten werden.
Im unteren Teil der Anordnung war ebenfalls eine Lichtschranke angebracht, unter der sich eine Spiralfeder befand, die auf einem freischwebenden Gewicht aufgesetzt war. Der Faden durchzog auch die untere Lichtschranke und die Spiralfeder. Das Gewicht war an seinem Ende befestigt.

Graphik entnommen aus

http://pl.physik.tu-berlin.de/groups/pg235/Winter95-96/Experiment01/fallversuch.html

Der Versuch verlief folgendermaßen:

Nachdem der Elektromagnet ausgeschaltet wurde, unterbrach die Kugel die erste Lichtschranke, wodurch die Stoppuhr gestartet wurde. Die Kugel fiel entlang des Fadens und hielt die Stoppuhr mit dem Unterbrechen der zweiten Lichtschranke an. Die angezeigten Ergebnisse wurden sorgfältig notiert.
Es zeigte sich aber schnell, dass die Spiralfeder als einziges Federsystem nicht ausreichend war. Der Faden riss des öfteren ab.
So wurde in einem verbesserten Versuchsaufbau nur das Federsystem verändert. Die Spiralfeder war nicht mehr direkt auf dem Gewicht aufgesetzt, sondern auf einem seitlich befestigten Lineal. Das Lineal hatte ein Loch, durch das der Faden lief, jedoch klein genug war, ein Durchrutschen der Spiralfeder zu verhindern. Der Stoß der Kugel, der nicht von der Spiralfeder abgefangen wurde, wurde so nicht mehr auf den Faden, sondern auf die externe Befestigung des Lineals übertragen. Dies verhinderte ein Reißen des Fadens.
Da die Kugel für einen weiteren Versuch entlang des Fadens wieder nach oben befördert werden musste, befestigten wir eine Wäscheklammer an einem langen Holzstab. Die Wäscheklammer wurde unterhalb der Kugel um den Faden geklemmt. So konnte man die Kugel entlang des Fadens nach oben schieben, ohne dass der Faden dabei übermäßig in irgendeine Richtung gezogen wird.
Der Versuch begann von neuem.

Nach vorhergehenden Überlegungen wurde folgendes festgelegt :

• um eine möglichst große Fallhöhe zu erreichen, wird der Versuch im Treppenhaus des RG durchgeführt

• der freifallende Gegenstand ist eine Metallkugel, die mittels Laser durchbohrt wurde.
  An dieser Stelle einen herzlichen Dank den Auszubildenden ( Formen- und Modellbau Misslbeck GmbH ) unter Leitung ihres Ausbilders Herrn Ehlers. Diese Kugel muss durch einen Leitfaden geführt werden, um zu gewährleisten, dass beide bei diesem Versuch benötigten Lichtschranken durchlaufen werden.

• Problematik : das Schwingen des Fadens führte oft zum ungewollten Auslösen der Lichtschranken
• die durch die Laserbohrung hervorgerufenen äußerst scharfen Kanten der Kugel beschädigten häufig den Faden
• die Kugel muss entlang des Fadens wieder nach oben befördert werden
• um sicher zu gehen, dass der Faden absolut gerade hängt, muss am Ende ein freischwebendes Gewicht angebracht werden (Prinzip des Lots). Oberhalb dieses Gewichts muss die Kugel abgebremst werden, ohne den Faden zu stark zu belasten.

• das Abfedern erfolgte anfangs mit Hilfe einer Spiralfeder, die auf dem Gewicht aufstand und vom Faden durchlaufen wurde. Diese Feder konnte die Geschwindigkeit der Kugel jedoch nicht vollständig abfangen. Die restliche kinetische Energie wurde auf den Faden übertragen. Dieser riss oft an den durch die Kanten der Kugel beschädigten Stellen.
• die Kugel muss mit dem kleinstmöglichen Abstand oberhalb der ersten Lichtschranke gehalten werden, um sicher zu gehen, dass die Geschwindigkeit beim Auslösen nahezu Null beträgt. Dies wurde mit Hilfe eines Magneten bewerkstelligt.

Zur Versuchsdurchführung:

Startvorrichtung	Meßvorrichtung unten
Blick auf das Treppenhaus	Bremsvorrichtung
Schüler richten die Bremsvorrichtung ein	Startvorrichtung
Vorrichtung zum Kugeltransport

Aus den Bewegungsgleichungen für die Bewegung mit konstanter Beschleunigung erhält man:

mit g = Gravitationsbeschleunigung

s = Fallstrecke

t = Fallzeit

Endergebnis: