Hookesches Gesetz Rechner

Berechnen Sie die Federkraft F = kx, die Federkonstante, die Auslenkung, die elastische potenzielle Energie und Federkombinationen.

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Kraft F
Federkonstante k
Auslenkung x

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Was ist das Hookesche Gesetz?

Das Hookesche Gesetz, 1678 von Robert Hooke formuliert, beschreibt das elastische Verhalten von Federn und vielen festen Materialien. Innerhalb der Elastizitätsgrenze ist die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung:

F = k · x

F = Kraft (N), k = Federkonstante (N/m), x = Auslenkung (m)

Die formale Aussage lautet F = −kx (das negative Vorzeichen gibt die Rückstellrichtung an), aber Ingenieure arbeiten typischerweise mit Beträgen. Das Gesetz ist die Grundlage für Schwingungsanalysen, den Hochbau und die einfache harmonische Bewegung.

Die Federkonstante (k) erklärt

Die Federkonstante k quantifiziert die Steifigkeit — wie viel Kraft pro Verformungseinheit erforderlich ist. Ein höheres k = steifere Feder.

Beispiel k (N/m)
Druckfeder eines Kugelschreibers~148
Sportbogen~200
Matratzenfeder~4.000
Pogo-Stick~10.000
Autoaufhängung (pro Rad)~20.000
Motorventilfeder~50.000

Elastische potenzielle Energie

Die Arbeit, die zum Zusammendrücken oder Dehnen einer Feder verrichtet wird, wird als elastische potenzielle Energie gespeichert. Da die Kraft linear mit der Auslenkung zunimmt, beträgt die Energie:

E = ½ · k · x²

Diese Energie kann in kinetische Energie umgewandelt werden (Bungee-Seil, Federkatapult) oder nutzbare Arbeit verrichten (Zugfeder einer mechanischen Uhr). Der Faktor ½ ergibt sich, da die Arbeit der Fläche unter dem Kraft-Weg-Dreieck entspricht.

Reihen- vs. Parallelschaltung von Federn

Reihe (k_eq ist kleiner)

1/k_eq = 1/k₁ + 1/k₂ + ...

Federn teilen sich die Kraft; die Gesamtausdehnung = Summe der Ausdehnungen. Wird verwendet, wenn eine weichere Reaktion erforderlich ist.

Parallel (k_eq ist größer)

k_eq = k₁ + k₂ + ...

Federn teilen sich die Last; die Gesamtausdehnung ist für jede Feder gleich. Wird verwendet, um die Steifigkeit zu erhöhen (Blattfedern bei Autos).

Jenseits der Elastizitätsgrenze

Das Hookesche Gesetz gilt nur bis zur Proportionalitätsgrenze. Darüber hinaus:

  • Elastizitätsgrenze: Das Material kehrt immer noch in seine ursprüngliche Form zurück, aber die F-x-Beziehung ist nicht mehr linear.
  • Streckgrenze: Dauerhafte (plastische) Verformung beginnt.
  • Zugfestigkeit: Maximale Spannung vor dem Bruch.

Bei den meisten Stahlfedern liegt die Elastizitätsgrenze bei etwa 60–70 % der Zugfestigkeit.

Technische Anwendungen

Das Hookesche Gesetz untermauert eine Vielzahl von technischen Systemen:

Fahrzeugaufhängung

Schraubenfedern mit k ≈ 15.000–25.000 N/m dämpfen Fahrbahnstöße und halten den Reifenkontakt aufrecht.

Schwingungsisolierung

Maschinenlagerungen nutzen ein bekanntes k, um die Eigenfrequenz von den Betriebsfrequenzen abzustimmen.

Kraftmessung

Federwaagen und Kraftmesser nutzen F = kx; die Auslenkung zeigt die Größe der Kraft an.

MEMS-Sensoren

Mikroskopische Federn in Beschleunigungsmessern und Gyroskopen folgen bei mikroskopischen Auslenkungen dem Hookeschen Gesetz.

Rechenbeispiele

Beispiel 1 — Autoaufhängung

Gegeben: k = 20.000 N/m, x = 0,05 m
F = k × x = 20000 × 0,05
F = 1.000 N
E = ½ × 20000 × 0,05² = 25 J

Beispiel 2 — Federkonstante finden

Gegeben: F = 50 N, x = 0,02 m
k = F / x = 50 / 0,02
k = 2.500 N/m

Beispiel 3 — Reihenschaltung

k₁ = 100 N/m, k₂ = 200 N/m
1/k_eq = 1/100 + 1/200 = 0,015
k_eq = 66,7 N/m

Beispiel 4 — Energie der Bogensehne

k = 200 N/m, x = 0,7 m
E = ½ × 200 × 0,7²
E = 49 J

Häufig gestellte Fragen

Das Hookesche Gesetz besagt, dass die Kraft, die zum Dehnen oder Stauchen einer Feder erforderlich ist, direkt proportional zur Auslenkung ist: F = kx, wobei F die Kraft in Newton, k die Federkonstante in N/m und x die Auslenkung in Metern ist. Es gilt, solange das Material innerhalb seiner Elastizitätsgrenze bleibt.
Die Federkonstante k (auch Richtgröße genannt) misst, wie steif eine Feder ist. Ein höheres k bedeutet eine steifere Feder, die mehr Kraft pro Auslenkungseinheit erfordert. Sie wird in N/m (Newton pro Meter) gemessen. Die Werte reichen von ~0,1 N/m für weiche Federn bis zu Millionen von N/m für Industriefedern.
Das negative Vorzeichen in F = −kx zeigt an, dass die Federkraft der Auslenkung entgegengesetzt wirkt — es ist eine Rückstellkraft. Wenn Sie eine Feder dehnen (positive Auslenkung), zieht die Kraft zurück (negative Richtung). Diese Vorzeichenkonvention ist wichtig für Schwingungs- und Oszillationsanalysen. Dieser Rechner verwendet der Einfachheit halber die Betragsform F = kx.
Die Elastizitätsgrenze ist die maximale Spannung oder Verformung, die ein Material aushalten kann und nach Wegnahme der Kraft dennoch in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Jenseits der Elastizitätsgrenze tritt eine dauerhafte (plastische) Verformung auf und das Hookesche Gesetz gilt nicht mehr. Bei Stahlfedern liegt die Elastizitätsgrenze typischerweise bei 60–70 % der Streckgrenze.
Bei einer Reihenschaltung beträgt die äquivalente Federkonstante 1/k_eq = 1/k₁ + 1/k₂ + ... — die Gesamtsteifigkeit ist geringer als die jeder einzelnen Feder, wie schwache Glieder in einer Kette. Bei einer Parallelschaltung gilt k_eq = k₁ + k₂ + ... — die Steifigkeiten addieren sich, wodurch die Kombination steifer wird. Die Aufhängung eines Autos verwendet parallele Federn zur Lastverteilung.
Die in einer Feder gespeicherte elastische potenzielle Energie beträgt E = ½kx², wobei k die Federkonstante und x die Auslenkung aus der Ruhelage ist. Diese Energie ist innerhalb der Elastizitätsgrenze vollständig rückgewinnbar. Zum Beispiel speichert eine Feder mit k = 200 N/m, die um 0,1 m zusammengedrückt wird, E = ½ × 200 × 0,01 = 1 J.
Das Hookesche Gesetz ist eine lineare Näherung, die bei Metallen (Stahl, Messing, Aluminium) innerhalb ihres elastischen Bereichs gut funktioniert. Es gilt nicht für Gummi (das nichtlinear ist), biologisches Gewebe oder Materialien jenseits ihrer Elastizitätsgrenze. Viele technische Materialien folgen dem Hookeschen Gesetz bis zu ihrer Proportionalitätsgrenze, die unterhalb der Elastizitätsgrenze liegt.
Die Federkonstante k wird in SI-Einheiten in N/m (Newton pro Meter) gemessen. Äquivalente Einheiten sind N/cm, N/mm und lbf/in. Umrechnung: 1 N/cm = 100 N/m; 1 N/mm = 1000 N/m; 1 lbf/in ≈ 175,127 N/m. Im CGS-System wäre k in dyn/cm = 0,001 N/m.