Ich möchte ein Test für lackierte Möbelkanten machen. Dazu möchte ich ein Pendel Nutzen (Masse: 6,4kg,Länge:1m). Das Pendel soll aus einem bestimmten Winkel oder einer bestimmten Höhe fallen gelassen werden, und in der Senkrechten, also bei 0 Grad auf die Kante auftreffen. Die notwendige Aufprallkraft habe ich mittels eines Kugelstoßversuchen (genormtes Prüfgerät) ermittelt. In einem Fall benötige ich 6N in einem anderen Fall 10N. Wie kann ich nun die Aufprallkraft berechnen? F=m*g*h hatte ich schon versucht, das kann aber nicht passen, da ich dann sehr viel stärkere Schäden habe als entstehen dürften…
Guten Tag,
wie bei jedem Aufprall oder Stoß lässt sich die Kraft nur berechnen, wenn man weiß, auf welchem Weg die Abbremsung erfolgt. Dann gibt es noch Unterschiede, ob es ein elastischer Stoß ist oder ob es Verformungen gibt, man muss sich den Verlauf der Elastizität über den gesamten „Bremsweg“ anschauen oder einfacher gesagt:
SO GEHT DAS NICHT.
Es geht um eine Hand voll Newton?
Das kann man doch simpel mit einer Waage und einer Druckfeder machen.
Man verformt eine Druckfeder mit dem Aufprallteil solange gegen eine Waage, bis diese eine Masse anzeigt, deren Wert in kg der zehnfachen Kraft in N entspricht.
Den Federweg messen und dann kann man munter das Aufprallteil an alles und jeden drücken und die gewünschte Kraft ausüben.
Hallo - Nachtrag:
Das kann nicht sein.
6N???
Alleine die Gewichtskraft der 6,4kg Kugel beträgt schon ca. 63N!
Hallo, leider habe ich da keine Wahl, ich muss mit diesem Pendel arbeiten. 
Das ist mir auch klar… ich weiß das es sich um eine sehr kleine bewegung handeln muss. Und wie gesagt habe ich leider keine andere wahl als dieses Pendel zu nutzen… Daher benötige ich wirklich dringent eine Formel um dies zu berechnen.
was Sie beschreiben ist das Kugelstoßprüfgerät nach Din aber das kann darf ich nicht nutzen da ich 2 Systeme vergleichen muss… Es muss aber doch eine allegmein gültige Formel für so etwas geben egal um wieviel Newton es geht?
Die berechnete Formel ist schon richtig, aber…
Du sollstest nach dem Härteprüfverfahren von Vickers oder Brinell vorgehen. Es liegt das Problem eben nicht nur bei der Aufprallkraft. Der Körper dringt in das Holz hinein mit z.B. einer genormten Kugel. Anhand der Eindringtiefe kann ein Rückschluss auf die Härte oder Oberflächenhärte eines Materials gemacht werden. Das Prüfverfahren findet zudem nicht bei einer Kannte sondern auf einer Ebene statt. Am Ende wird der Eindringdurchmesser gemessen und rückgerechnet. Die Delle ist auch vom Radius der Kugel abhängig. Je grösser die Kugel, desto mehr Kraft wird benötigt um diese Beispielsweise 1mm in das Holz zu drücken.
Grüsse Sebastian
Hallo Sebastian,
danke für die Antwort, das Problem hierbei ist, dass es zum einen explizit um die Ecke geht (andere Festigkeiten und Lackschichtdicke als in der Fläche) zu anderen ist holz ein Wst. dessen einenschaften stark stereuen, ich müsste also für jedes einzelne Prüfstüch eine statistische ermittlung der Härte vornehmen… Das geht aber zeitlich nicht außerdem habe ich leider keinen Zugang zu einem solchen Prüfinstrument. Ich muss auch nur vergleichen, wie stark die beiden Testverfaheren streuen. Daher müssete ich wissen wie das ganze unter idealisierten Bedingungen aussieht (reibungsfrei, kante als absolut starrer körper ,usw).
Der Modellversuch ist einfach nachvollziehbar und wird das Problem womöglich Lösen. Schlimmstenfalls muss man die Kugel in ein Rohr legen.
Grüsse Sebastian
Tja, das ist nicht so einfach.
m*g*h ergibt zunächst einmal nicht die Aufprallkraft, sondern die Lageenergie E_pot des Pendels, die dann in kinetische Energie E_kin = 1/2 * m * v * v umgewandelt wird.
Wenn Du beides gleichsetzt, kannst Du also ausrechnen, wie schnell das Pendel beim Auftreffen ist (das ist übrigens von der Masse des Pendels unabhängig).
Die EinschlagsKRAFT hängt dann aber von einer ganzen Reihe weiterer Faktoren ab, vor allem von der Beschaffenheit der Möbelkante und des Gewichtes.
Bei einer sehr harten, unnachgiebigen Kante und einem ebensolchen Gewicht wird das Gewicht eher abprallen, ohne dass sich irgendwas groß verformt. Die Kraft wird dann sehr groß (aber kurz) sein, da es diese Kraft ist, die das Pendel quasi „zurückschleudert“.
Eine sehr weiche, nachgiebige Kante wird das Pendel eher sanft abbremsen, indem ein Teil der kinetischen Energie des Pendels Verformungsarbeit an der Kante leistet (ähnlich ist es bei einer weichen Pendelmasse). Die Kraft ist dann deutlich kleiner, dauert aber länger.
Und dann ist da noch die Frage, wieviel der Verformungsarbeit dauerhaft ist (plastischer Stoß, wovon bei Beschädigungen immer auszugehen ist) und wieviel wieder an das Pendel abgegeben wird (falls das Pendel zurückprallt = elastischer Stoß). In der Praxis wird sich wohl irgendwas dazwischen einstellen.
Du wirst also bei verschiedenen Kanten niemals die gleiche Kraft bekommen. Meiner Ansicht nach ist das ganze Versuchskonzept so unbrauchbar, wen du wirklich eine bestimmte Kraft brauchst.
Eine Möglichkeit wäre es, das Möbelstück um 90 Grad zu kippen. Dann hängst Du ein Gewicht von, sagen wir mal, 20 N mit einem Seil an eine Waage und senkst das Gewicht vorsichtig auf die Möbelkante ab, bis die Waage nur noch 14 N anzeigt. Dann beträgt die Kraft auf die Möbelkante 6 N.
Oder Du lässt die Kraft Kraft sein und testest einfach immer mit der gleichen Masse und der gleichen Pendelauslenkung.
Die Aufprallkraft hängt nicht von der Erdbeschleunigung g ab, sondern von der Bremsbeschleunigung, mit der das Gewicht beim Aufprall abgebremst wird. Und das hängt wiederum von den Eigenschaften des Möbelstücks ab, welches Du da beschädigen willst. Ist das Material weich, dann ist die Kraft klein, ist es hart, dann ist die Kraft groß. Ich würde Dir gerne noch genauer antworten, aber des System zeigt mir beim besten Willen nicht mehr Deine ursprüngliche Frage - Dein Text ist einfach weg. Ein Preblem bei wer-weiß-was, oder?
Grüße
Gunter
Abend, bei mir wird die Frage noch Angezeigt… aber hier nochmal der Ursprungs Text (das Material ist Buche für Holz eher mittelhart… aber eben Holz also immer weich)
Ich möchte ein Test für lackierte Möbelkanten machen. Dazu möchte ich ein Pendel Nutzen (Masse: 6,4kg,Länge:1m). Das Pendel soll aus einem bestimmten Winkel oder einer bestimmten Höhe fallen gelassen werden, und in der Senkrechten, also bei 0 Grad auf die Kante auftreffen. Die notwendige Aufprallkraft habe ich mittels eines Kugelstoßversuchen (genormtes Prüfgerät) ermittelt. In einem Fall benötige ich 6N in einem anderen Fall 10N. Wie kann ich nun die Aufprallkraft berechnen? F=m*g*h hatte ich schon versucht, das kann aber nicht passen, da ich dann sehr viel stärkere Schäden habe als entstehen dürften…
Abend, danke für die Antwort. War bisher am hilfreichsten. Wenn ich das so hier so sehe (und auch in der UNI wo mir keiner helfen kann oder will) denke ich, dass es am besten ist, wenn ich das näherungsweise löse oder zu lösen versuche und bei immer gleicher Ausgangslage des Pendels ausschließlich die Streuung untersuche…
Wie ich schon sagte, du kannst zwar die Geschwindigkeit berechnen, mit der die Kugel am Holz ankommt, welche Kraft sie dabei aber auf dem Holz entwickelt, hängt davon ab, wie schnell sie durch die Verformung des Holzes abgebremst wird. Berechnen könntest Du das nur, wenn Du die Holzeigenschaften in Zahlen hast, außerdem brauchst Du natürlich auch noch die Masse der Kugel und sämtliche Daten der ganzen Anordnung. Mehr kann ich Dir dazu nicht helfe.
Grüße
Gunter
Eine allgemein gültige Formel zur Berechnung der Kraft existiert nicht, weil es sie nicht geben kann.
Das Pendel wird beim Auftreffen abgebremst.
Die Kraft ist abhängig von der Geschwindigkeit und dem „Bremsweg“.
Selbst das kann man nur Näherungsweise bestimmen:
Denn die Kraft, mit der die zu prüfende Oberfläche sich dem Anprall widersetzt, ist ja eben nicht konstant. Die Oberfläche wird ja etwas härter als der Untergrund sein, der Untergrund wird mit zunehmender Eindringtiefe härter werden und so die Kraft zunehmen.
Das ist praktisch nicht zu berechnen.
Wer Ihnen diese Aufgabe gestellt hat, hat keine Ahnung.
Mit so einem Pendel kann ich nur die Stoß-Energie ermitteln, die beim Aufprall auf den Prüfling wirkt.
Wer eine Kraft vorgibt, der benötigt eine Apparatur mit einstellbarer Kraft, nicht mit einstellbarer (Lage-)Energie.
Sie dürfen aber gerne mal im Forum (Brett: Physik) die Frage nochmal stellen, da sind mehr Experten.
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Hallo xstrom,
vielen Dank für die Antwort, Ich habe die Prüfung jetzt so durchgeführt, dass ich zu jedem Prüfstück die gleiche Ausgangslage des Pendels habe, so dass ich zumindest Aussagen über die Streuung terffen kann. Das Ergebnis das ein Prüfverfahren ungeeignet ist is ja auch ein Ergebnis. Ich hätte nie erwartet dass eine Pendelberechnung so komplex ist… Dachte schon ich wäre schlicht zu blöd um das zu berechnen 
Schade ist bei der ganzen Sache nur das man unserer Uni keine Hilfe oder Antworten bekommt wenn man Fragen stellt. Das eizige was man gesagt bekommt ist. "das ist doch einfach! Nimm dir n Busch und finds selber raus. Schade das die Arroganz vieler Akademiker der Lehre derart im Weg steht…
Lieber krtfg.
Das Problem dürfte so nicht lösbar sein: Dein Pendel hat zwar eine bestimmte kinetische Energie und den entsprechenden Impuls, entscheidend für eine Berechnung der Kraft ist aber die Zeit, in der das Pendel abgebremst wird. (Impuls ist Kraft * Zeit, wobei Du in Deinem Fall noch über den zeitlichen Verlauf von Kraft und Verformung integrieren müsstes. Das scheint mir eher aussichtslos zu sein.) Dafür spielen aber zu viele Variablen mit: zunächst die genaue Form der Kanten, der Auftreffwinkel, die Elastizitätsmodule von Pendel, Kantenmaterial und Lackschicht, möglicherweise noch die Hysterese der verformten Kante, die Querkürzungszahl usw. Schon wenn die Kante aus Holz ist, ist der E-Modul je nach Lage der Maserung kaum noch anzugeben.
Du kennst aber die Kräfte, die Du erreichen willst. Diese Kräfte kannst Du mit einer handelsüblichen Federwaage erzeugen, wenn Du sie mit einem U-Bügel um die eigentliche Waage in eine Druckfeder verwandelst.
Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, durch Versuche mit einer definierten Auslenkung des Pendels und verschiedenen Materialien von Kanten eine Vergleichstabelle aufzubauen. Im Maschinenbau wird ein solches Verfahren zur Feststellung der Härten nach Brinell und Rockwell erfolgreich benutzt. Auch hier werden keine absoluten Werte gemessen, sondern die Größe der bleibenden Eindrücke von Kugeln oder Diamantspitzen nach einer bestimmten Belastung gemessen und mit einer Tabelle verglichen.
In der Kunststofftechnik gibt es ein Verfahren, um die Härte und Zugfestigkeit, ebenfalls nach Brinell, zu messen. Im Wikipedia findest Du unter „Härte, Feststoffe“ die verschiedenen Verfahren erläutert. Vielleicht kannst Du ja eines der Verfahren an Deine Aufgabe anpassen.
Ich hoffe, Du kommst damit etwas weiter.
Mit freundlichen Grüßen.
Armin Pieroth