Falltest mit Prüfkörper Metall und Kunststoff

Wissenschaft Physik
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Hallo

Es geht um die Materialwahl für einen Prüfkörper (faustgroß), der einem Fall aus z.B. 50cm unterzogen wird. Dieser Prüfkörper ist am Ende einer Stange angebracht. Die Stange ist am anderen Ende an einer Achse befestigt, sodaß sie in der Lage ist, aus der senkrechten Position in die Waagerechte zu kippen. Dadurch führt der Prüfkörper die Bewegung eines Viertelkreises aus, bis er auf eine Stahlplatte aufschlägt (eine Frage zu diesem Thema stellte ich bereits hier: Unterschied zwischen freiem Fall und „an der Stange geführtem Fall“).
Inzwischen habe ich die Geschwindigkeit des Prüfkörpers kurz vor dem Aufprall unter Berücksichtigung des Trägheitsmassenpunktes berechnet. Praktische Versuche mit Hilfe eines Meßaufnehmers, der am Prüfkörper befestigt war, machten allerdings eine Korrekturrechnung erforderlich, da ich zu viele unbekannte Parameter habe, um noch das Eintauchen des Prüfkörpers in die Stahlplatte zu erfassen.
Meine Frage betrifft den Meßaufnehmer sowie die Verformung bei Prüfkörper und Stahlplatte im Moment des Aufschlags. Als Meßaufnehmer habe ich eine dynamische Mikrofonkapsel eingesetzt, deren Membran so hart war, daß ein Anschlagen der Membran (Endanschlag) auszuschließen ist. Da die Ausgangsspannung der Kapsel proportional zur Schnelle ist, habe ich angenommen, daß die Geschwindigkeit des aufschlagenden Prüfkörpers (mit der befestigten Kapsel) über den Aufschlagimpuls die Membran zur Bewegung anregt. Über den Ausgangsimpuls der Mikrofonkapsel habe ich die Schnelle bestimmt (Spulendaten, Magnetfeld), die diesen Ausgangsimpuls erzeugt (nur den Max-Wert).
Wenn der Rechenwert (Geschwindigkeit des Prüfkörpers) z.B. bei 3,03m/s lag, ergab die Schnelle der Membran einen Wert von 2,36m/s. In diesem Fall war der Prüfkörper aus Stahl. Bei einem Prüfkörper aus Kunststoff wurde die Schnelle der Membran mit 2,35m/s bestimmt, was ich nicht verstehe, da Kunststoff einen deutlich niedrigeren E-Modul als Stahl hat, sich der Prüfkörper hätte deutlich verformen und somit die Impulshöhe des Kapselausgangssignals geringer sein müssen.
Mir kommt es nicht auf Details an, sondern nur auf das Verständnis, was hier passiert. Ist die dyn. Kapsel ggf. ungeeignet für Messungen dieser Art? Andererseits wanderte die Impulshöhe des Mikrofonausgangssignals auch bei größeren Fallhöhen zu höheren Werten mit. Entschuldigt meinen langen Text, aber ich hielt es für wichtig, nicht nur die Frage zu stellen. Die Frage ist somit, ob ein Prüfkörper aus Kunststoff stets „weicher“ aufschlägt als ein Stahlkörper, was ich mit meinen Versuchen nicht bestätigt fand. Oder war mein Meßaufnehmer ungeeignet?

Danke für die Mühe, sich hier einzulesen.
Günther

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… Oder war mein
Meßaufnehmer ungeeignet?

Hallo Günther,

ich denke mal ja: der Prüfkörper trifft die Membran in der Mitte, aber so steif kann diese unmöglich sein, dass sie sich nicht unmittelbar nach der ersten Berührung verformt. Damit entspricht das Signal aber nicht mehr der Auftreffgeschwindigkeit.

Ich würde der Sache nur trauen, wenn ich zum Vergleich die Auftreffgeschwindigkeit mit einer Lichtschranke gemessen hätte, aber dann würde ich auch gleich bei dieser bleiben. Oder du montierst einen Drehgeber an der Pendelachse, ist noch einfacher.

Gruss Reinhard

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Hallo Reinhard

der Prüfkörper trifft nicht die Membran des Meßaufnehmers, sondern die Stahlplatte, die auf dem Boden liegt. Der Meßaufnehmer, also die dynamische Kapsel ist am Prüfkörper befestigt, um dessen Verhalten beim Aufschlagen zu erfassen. Ich habe die Kapsel an der der Aufschlagfläche entgegengesetzten Seite starr befestigt. Die Membran der Kapsel bewegt sich natürlich beim Aufschlagen des Prüfkörpers genau lotrecht entsprechend der Fallrichtung direkt vor dem Aufschlag (den Schlag eines Eisenklotzes würde die dynamische Kapsel nicht überleben).

Gruß
Günther

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… also die dynamische Kapsel ist am Prüfkörper
befestigt, um dessen Verhalten beim Aufschlagen zu erfassen.
Ich habe die Kapsel an der der Aufschlagfläche
entgegengesetzten Seite starr befestigt.

Hallo Günther,

das ändert doch an meinem Argument überhaupt nichts, und dazu stellt sich nach wie vor die Frage, wieso um 3 Ecken herum messen - ein Drehgeber liefert problemlos alles was gebraucht wird. Falls du nicht weisst, was ein Drehgeber ist, googeln hilft.

Gruss Reinhard

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Hallo Reinhard

danke für Deinen Hinweis. Inzwischen habe ich die Lösung für meine Frage selbst gefunden, ob die dyn. Kapsel als Meßaufnehmer geeignet ist. Der Vollständigkeit halber schreibe ich die Antwort hier auf: Die Kapsel ist ungeeignet, weil der Impuls des Metall-Prüfkörpers kürzer und höher ist, als der Impuls durch den Kunststoffkörper. Dieser kurze Impuls bedeutet aber große Bandbreite des Signalaufnehmers, was der dynamische Wandler aufgrund seiner Spulenmasse nicht leistet.

Der Drehgeber würde mir zwar Info zum Weg, Winkel oder Geschwindigkeit des Prüfkörpers geben, aber nichts über die Vorgänge beim Aufschlag, also Bremsgeschwindigkeit oder Bremsbeschleunigung, aus denen ich dann die Kraft ermitteln kann, die auf einen Prüfling wirkt, der im Prüfkörper eingesetzt ist. Da hilft nur die Messung direkt am Objekt.

beste Grüße
Günther