Detailbild einer Präzisionsfederwaage mit Newton-Skala als Kraftmesser

Kraftmesser

Unter einem Kraftmesser versteht man ein Messgerät, in dem ein elastischer Körper unter Einwirkung einer Kraft verformt wird.

Grundprinzip "Hook'sches Gesetz"

Die einfachste und durch den Physikunterricht wohl bekannteste Bauart eines Kraftmessers ist eine Federwaage. Hierbei wird als elastischer Körper eine Spiralfeder durch eine einwirkende Kraft (F) verlängert. Im elastischen Bereich dieses Federkörpers gilt das Hook'sche Gesetz, mit dem beschrieben wird, dass der Quotient aus Kraftzunahme und Längenzunahme konstant ist.

Hook'sches Gesetz am Beispiel Spiralfeder für Kraftmesser

 

Mit einer Federwaage wird klassischerweise nur die Masse (M) in der SI-Einheit Kilogramm [kg] bestimmt. Um eine Federwaage als Kraftmesser einzusetzen sollte die Skala allerdings immer in der SI-Einheit Newton [N] ausgeführt sein.

 

Masse und Gewichtskraft

Vor 1960 wurde Kraft in der Einheit Kilopond oder Poundforce angegeben. Danach wurde dafür international Newton [N] im SI-Einheitensystem festgelegt.

Gewichtskraft [N] = Masse [kg] x Gravitationbeschleunigung [m/s²]

Die Gravitationsbeschleunigung auf der Erde beträgt ca. 9,81 m/s². Sie variiert aber in Abhängigkeit der Entfernung zu den Polen und lokalen geologischen Einflüssen. Entsprechend der obigen Formel verursacht eine Masse von 1 kg auf der Erde, in grober Näherung, eine Gewichtskraft von ca. 9,81 N. Auf dem Mond hingegen verursacht die gleiche Masse von 1 kg nur eine Gewichtskraft von ca. 1,62 N, da die Gravitationsbeschleunigung dort nur 1,62 m/s² beträgt.

Wenn Sie die Gravitationsbeschleunigung an Ihrem Standort möglichst genau ermitteln wollen, hilft Ihnen der nachfolgende Link auf eine Seite der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), Braunschweig

SIS | Schwere-Informationssystem

Warum eine Federwaage nur unter sehr begrenzten Bedingungen als Kraftmesser genutzt werden kann, wird deutlich, wenn man sich die beiden wesentlichen Grundeigenschaften der Kraft ansieht.

 

Definition Kraft

Kraft als gerichtete physikalische Größe

Kraft ist definiert als eine gerichtete physikalische Größe, die eine wichtige Rolle in der klassischen Mechanik spielt. Sie kann Körper beschleunigen oder verformen, durch Kraftwirkung kann man Arbeit verrichten und die Energie eines Körpers verändern. Die Physik unterscheidet vier Grundkräfte:

  • die Gravitation;
  • die elektromagnetische Kraft;
  • die Schwache Kernkraft (Wechselwirkung);
  • die Starke Kernkraft.

Viele Kräfte haben eigenständige Bezeichnungen aufgrund ihrer Ursachen oder Wirkungen, z.B. die Reibungskraft, die Gewichtskraft, die Zentripetalkraft (Fliehkraft), die Zugkraft, die Schließkraft oder Öffnungskraft, die Haltekraft, die Muskelkraft, usw.. Für alle gilt die international verwendete Einheit SI-Einheit für Kraft, das Newton [N] mit dem Formelzeichen = F (lat. fortitudo).

Nur die Gewichtskraft ist hinsichtlich der Wirkrichtung durch die Gravitation zum Erdmittelpunkt hin definiert. Die anderen Grundkräfte können aber in jede Richtung wirken. In der Praxis haben wir es daher bei der Kraftmessung immer mit einer Reihe sich gegenseitig beeinflussenden Kräfte zu tun. Ein ganz einfaches Beispiel hierfür ist ein Haftmagnet auf einer Tafel: Nur wenn die magnetische Kraft größer ist als die Gewichtskraft, die auf das Magnet aufgrund seiner Masse einwirkt, fällt der Haftmagnet nicht auf den Boden. 

 

Kraft als ortsunabhängige Größe

Während die durch eine Masse verursachte Gewichtskraft von Ort zu Ort variieren kann, ist die physikalische Größe Kraft gemessen in Newton [N] ortsunabhängig. Benötigt man z.B. zum Öffnen einer mit Zugfedern gehaltenen Klappe auf der Erde 10 N, so muss man auch auf dem Mond 10 N (Muskel-)kraft aufbringen, um die Klappe zu öffnen. Möchte man die Klappe statt mit Muskel-(kraft) mit Gewichts-(kraft) öffnen, sollte man jedoch statt 1 kg Masse mindestens 6,2 kg mitnehmen (10 N/1,62 ms²).

 

Arten von Kraftmessern

Mechanische Kraftmesser

Die oben beschriebene Federwaage, als einfacher mechanischer Kraftmesser, hat den Nachteil, dass eine relativ große Verformung (also Verlängerung der Spiralfeder) benötigt wird, um eine hinreichend gute Skalenauflösung zu erreichen. So verlängert sich eine Federwaage mit N-Anzeige z.B. bei einem Messbereich von 10 N um ca. 100 mm, um eine Skalenauflösung von 0,1 N zu erreichen. Bedeutend kürzer wird der Messweg bei mechanischen Kraftmessgeräten mit einer runden Analogskale.

Prinzipskizze zu mechanischen Kraftmessern

(Prinzipskizze: Mechanischer Kraftmesser mit runder Analoganzeige)

Hier wird, wie bei einer Messuhr, die Kompression oder Elongation einer Spiralfeder auf einen Zeiger übertragen, um die Auflösung zu Lasten der Messgenauigkeit zu erhöhen.

 

Hydraulische Kraftmesser

Die hydraulischen Kraftmesser werden oft aufgrund der typischen runden Bauform mit Hohlkörper und der abgesetzten Kraftanzeige als Kraftmessdose oder Druckmessdose bezeichnet. Auch in diesen mit Flüssigkeit gefüllten Messgeräten wird eine Metallmembran unter Einwirkung der Kraft elastisch verformt. Die dadurch entstehende Verringerung des Volumens erhöht den Druck proportional, oder das Volumen wird verdrängt.

Prinzipskizze zu hydraulischen Kraftmessern nur für Druck

(Prinzipskizze: Hydraulischer Kraftmesser - Kraftmessdose)

Kraftmesser die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, können in der Regel nur in eine Wirkrichtung messen und werden meistens zur Messung von sehr hohen Kräften eingesetzt.

 

Moderne digitale Kraftmesser

Digitale Kraftmesser basieren heute im wesentlichen Sensoren mit DMS (DehnungsMessStreifen). Die sehr geringe elastische Verformungen eines Sensorkörpers wird dabei auf ein Messgitter übertragen, wodurch dessen Leitungs-Querschnitt durch die Dehnung- und/oder Stauchung verändert wird. Diese Querschnittsänderung verursacht eine Änderung des elektrischen Widerstands, der in der Messelektronik ausgewertet wird. Im Prinzip findet auch hier das Hook'sche Gesetz im übertragenen Sinn Anwendung, allerdings wird die Proportionalität durch die konstruktive Massnahmen am Kraftaufnehmer und Algorithmen in der Elektronik hergestellt. 

Dehnungsmessstreifen als Sensorelement in Kraftmessern

(Prinzipskizze: Dehnungsmessstreifen)

Wesentlich für die Qualität eines digitalen Kraftmessers ist die exakte Abstimmung des Sensorkörpers auf die Auswerteelektronik und die Einbausituation des eigentlichen Kraftaufnehmer im Gehäuse. Lotgerechte und reibungsfreie Krafteinleitung eine möglichst geringe Masse bei gleichzeitig hoher Biegesteifigkeit zeichnen gute digitale Kraftmessgeräte aus.

 

Vorteile digitaler Kraftmesser

Der Vorteil eines digitalen Kraftmessers liegt im sehr geringen Nennmessweg von 0,1 bis 0,3 mm, bei hoher Auflösung und Genaugkeit. Parasitäte Krafteinflüsse aus der Krafteinleitung oder der Lage des Kraftmessgerätes im Raum sind wesentlich geringer und es läßt sich daher eine bedeutend besser Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erzielen.

Bei den meisten digitalen Kraftmessgeräten messen Zug- und Druckkraft und die Krafteinleitung in Zug- und in Druckrichtung erfolgt an der gleichen Messwelle.


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