224 – Fakir-Ballon

Kraftverteilung

Dieses Experiment veranschaulicht, wie eine Kraft, die auf eine Fläche ausgeübt wird, je nach Größe dieser Fläche zu unterschiedlichen Drücken führt. Du wirst sehen, dass ein Ballon nicht platzt, wenn die Kraft auf viele Punkte verteilt wird, im Gegensatz zu einem einzigen Punkt.

Ein einzelner Nagel: Holzbrettchen (ca. 10 cm x 10 cm) mit einem einzelnen, Nagel, der mittig durchgesteckt wird. Empfehlung: Bohre zunächst ein Loch in das Brett, damit das Holz nicht splittert!
Ein Nagelbett: Ein größeres Holzbrett (ca. 20 cm x 20 cm) mit vielen Nägeln, die in gleichmäßigen Abständen (z. B. alle 1 cm) durchgesteckt werden. Die Nägel sollten alle die gleiche Länge haben. Im Video wird ein Feld der Größe 9 x 8 Nägel gezeigt. Empfehlung: Bohre zunächst Löcher für die Nägel vor!
Ein Druckbrett: Ein glattes Holzbrett ohne Nägel (ca. 10 x 20 cm), um den Ballon gleichmäßig nach unten zu drücken. Ohne das Brett kann man sich leicht die Hand verletzen!
Luftballons: Mehrere große Luftballons.

Vorbereitung: Blase die Luftballons auf. Achte darauf, dass sie gut gefüllt, aber nicht übermäßig prall sind, um sicherzustellen, dass sie leicht platzen können.
Experiment 1: Der einzelne Nagel: Nimm das kleine Brett mit dem einzelnen Nagel. Lege einen der aufgeblasenen Ballons vorsichtig darauf und drücke sanft mit der Hand von oben.
Beobachtung: Der Ballon wird sofort platzen.
Experiment 2: Das Nagelbett: Nimm nun das große Nagelbrett. Lege einen neuen, aufgeblasenen Ballon darauf. Benutze das glatte Druckbrett, um den Ballon vorsichtig und gleichmäßig nach unten auf die Nagelspitzen zu drücken.
Beobachtung: Der Ballon wird nicht platzen. Wenn du den Druck vorsichtig erhöhst, verformt sich der Ballon zwischen den Nägeln. Wenn du weiterhin allmählich Druck ausübst, platzt der Ballon schließlich, aber es ist viel mehr Kraft erforderlich als bei einem einzelnen Nagel.

Das Kernkonzept dieses Experiments ist der Druck P , der sich aus der Kraft F pro Fläche A ergibt.
Die Formel dafür lautet: P=F/A

Der einzelne Nagel: Die gesamte Kraft, die du mit dem Druckbrett auf den Ballon ausübst, wird auf die sehr kleine, fast punktförmige Fläche der einen Nagelspitze konzentriert. Da die Fläche A extrem klein ist, wird der Druck P an dieser Stelle enorm hoch, was dazu führt, dass die Gummioberfläche des Ballons über ihre Belastungsgrenze hinaus gedehnt wird und platzt.
Das Nagelbett: Wenn du den Ballon auf das Nagelbett legst, wird die gleiche Kraft F, die du ausübst, auf die vielen Nagelspitzen verteilt. Die Gesamtfläche A der Kontaktpunkte ist nun viel größer. Obwohl jeder einzelne Nagel eine Kraft auf den Ballon ausübt, ist der Druck P an jedem einzelnen Punkt deutlich geringer, da die Kraft auf eine größere Fläche verteilt wird. Bei 9 x 8 = 72 Nägeln z.B. übt jeder Nagel nur ca. 1/72 der gesamten Druckkraft auf den Ballon aus. Dadurch wird das Material des Ballons nicht überdehnt und er platzt nicht.
Das Experiment zeigt, dass nicht nur die Kraft, sondern auch die Fläche, auf die sie wirkt, entscheidend dafür ist, ob ein Objekt durch die Kraft verformt beziehungsweise beschädigt wird oder nicht.