Kraft und Kraftarten

Mechanik

Kraft und Kraftarten

  • Kräfte – manchmal anziehend, manchmal abstoßend …
  • Was hält unsere Welt eigentlich zusammen?
  • Warum spricht man von Kernkraftwerken?

Der Begriff "Kraft" kommt in unserem Sprachgebrauch häufig vor. Hier nur einige Beispiele:

 

Aufgabe

Überlege dir, welche der oben genannten "Kräfte" solche im Sinne der Physik sind. Du kannst deine Antwort überprüfen, wenn du mit der Maus über obige Tabelle fährst. Die rot geschriebenen Begriffe sind physikalische Kräfte.

Wenn du unvoreingenommen an den Kraftbegriff gehst, wirst du der Überzeugung sein, dass du weißt was eine Kraft ist. Vielleicht schwebt dir im Kopf etwa das nebenstehende Bild vor. Wenn du aber eine allgemeine Festlegung (Definition) des Kraftbegriffs geben sollst, wird dir dies nicht leicht fallen.

Im Folgenden wollen wir etwas bescheidener sein und nicht sagen, was eine Kraft ist, sondern woran man das Wirken einer Kraft erkennen kann. Dazu stellen wir dir einen ersten Satz von Bildern vor, in denen jeweils eine Kraft wirkt.

 

Aufgabe

Überlege dir, welche physikalische Gemeinsamkeit die folgenden Bilder aufweisen, aufgrund der man auf eine Kraftwirkung schließen kann.

Bild 1
Bild 2
Bild 3
Bild 4
Bild 5

Erkenntnis 1: Man erkennt das Wirken einer Kraft an der Änderung des Geschwindigkeitsbetrages (Zunahme oder Abnahme) des Körpers auf den die Kraft wirkt. Kurz: Eine Kraft bewirkt eine Beschleunigung.

Aufgabe

Bei den folgenden Bildern bleibe der Geschwindigkeitsbetrag des bewegten Körpers konstant, trotzdem wirkt jeweils eine Kraft. Überlege dir, welche physikalische Gemeinsamkeit du in den Bilder erkennst, die auf eine Kraftwirkung schließen lässt.

Zentrifuge für das Astronauten-Training (Bild: NASA)
Hammerwerfer beim Schwung holen

Eine Stahlkugel erhält durch das Herabrollen einen bestimmten Geschwindigkeitsbetrag, der auf der glatten Holzunterlage fast gleich bleibt.

Erkenntnis 2: Man erkennt das Wirken einer Kraft an der Änderung der Geschwindigkeitsrichtung des Körpers auf den die Kraft wirkt. Kurz: Eine Kraft bewirkt eine Beschleunigung.

Hinweis: Eine Beschleunigung liegt vor, wenn sich der Betrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit ändert.

Aufgabe

Bei den folgenden Bildern wirkt jeweils eine Kraft. Sie äußert sich jedoch nicht nur in einer Beschleunigung eines Körpers, sondern auch noch anderweitig. Beschreibe dieses weitere Erkennungsmerkmal einer Kraft.

Boxer beim Kampf
Armdrücken
Auffahrunfall zweier PKW

Erkenntnis 3: Man kann das Wirken einer Kraft an der Verformung eines Körpers erkennen.

Zusammenfassung

Kräfte lassen sich durch die folgenden Wirkungen erkennen:

  • Kräfte können Körper beschleunigen
    • Geschwindigkeitserhöhung
    • Geschwindigkeitsverminderung
    • Änderung der Geschwindigkeitsrichtung
  • Kräfte können Körper verformen

 

 

Wie wir bereits gesehen haben, bewirken Kräfte entweder eine Verformung oder aber eine Beschleunigung eines Körpers. Wie stark nun aber eine Kraft einen Körper verformt oder beschleunigt, hängt von drei verschiedenen Faktoren ab; diese Abhängigkeit zeigen wir zum einen anhand der und zum anderen anhand der Wirkung von Kräften.

Auf der linken Seite der Animation lassen wir eine Kraft (symbolisiert durch die Hand) auf eine eingespannte Blattfeder wirken. Auf der rechten Seite der Animation lassen wir an der gleichen Stelle (wir sagen in der Physik am gleichen Angriffspunkt) und in die gleichen Richtung eine Kraft mit anderer Stärke (wir sagen in der Physik mit einem anderen Betrag) (symbolisiert durch die etwas größere Hand) auf die Blattfeder wirken. Dabei beobachten wir, wie sich die Blattfeder jeweils verformt.

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Wir sehen: Wirken an der gleichen Stelle und in die gleiche Richtung auf einen Körper zwei Kräfte mit unterschiedlichem Betrag, dann verformt sich der Körper durch die beiden Kräfte unterschiedlich.

Ergebnis: Die verformende Wirkung einer Kraft hängt von deren Betrag ab.

Auf der linken Seite der Animation hat sich im Vergleich zur ersten Animation nichts verändert. Auf der rechten Seite der Animation dagegen lassen wir eine Kraft mit gleich großem Betrag am gleichen Angriffspunkt, aber in eine andere Richtung auf die eingespannte Blattfeder wirken. Dabei beobachten wir wieder, wie sich die Blattfeder jeweils verformt.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Wir sehen: Wirken zwei Kräfte mit gleichem Betrag an der gleichen Stelle, aber in unterschiedliche Richtungen auf einen Körper, dann verformt sich der Körper durch die beiden Kräfte unterschiedlich.

Ergebnis: Die verformende Wirkung einer Kraft hängt von deren Richtung ab.

Auf der linken Seite der Animation hat sich im Vergleich zur ersten Animation wieder nichts verändert. Nun aber lassen wir auf der rechten Seite der Animation eine Kraft mit gleichem Betrag und in die gleiche Richtung, aber an einem anderen Angriffspunkt auf die eingespannte Blattfeder wirken. Dabei beobachten wir wieder, wie sich die Blattfeder jeweils verformt.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Wir sehen: Wirken zwei Kräfte mit gleichem Betrag in die gleiche Richtung, aber an unterschiedlichen Angriffspunkten auf einen Körper, dann verformt sich der Körper durch die beiden Kräfte unterschiedlich.

Ergebnis: Die verformende Wirkung einer Kraft hängt von deren Angriffspunkt ab.
Zusammenfassung: Sowohl die verformende als auch die beschleunigende Wirkung einer Kraft hängt von deren Betrag, deren Richtung und deren Angriffspunkt ab.

 

Zeichnerische Darstellung einer Kraft durch einen Pfeil (Vektor)

Bei der Wirkung einer Kraft sind also die drei Faktoren Betrag, Richtung und Angriffspunkt entscheidend. Dies lässt sich zeichnerisch sehr einfach mit einem sogenannten Kraftpfeil darstellen:

  • Die Länge des Pfeils symbolisiert den Betrag der Kraft. Vereinbart man einen Maßstab (z.B. \(1\rm{cm}\) entspricht \(1\rm{N}\)), so kann der Betrag sofort aus der Zeichnung abgelesen werden. Bei der gewählten Zeicheneinheit würde sich ein Kraftbetrag von ca. \(4\rm{N}\)) ergeben.

  • Der Anfangspunkt des Pfeils (und nicht die Spitze, dies ist ein häufig von Schülerinnen und Schülern gemachter Fehler) stellt den Angriffspunkt dar.

  • Die Richtung des Pfeils (bei gegebenem Angriffspunkt vor allem angezeigt durch die Spitze des Pfeils) gibt die Richtung der Kraft vor.

Die Gerade, welche durch den Kraftpfeil gelegt werden kann, wird oft als Wirkungslinie bezeichnet.

Hinweis: In der Physik gibt es eine Reihe von Größen, bei denen es auf die Richtung ankommt. Man nennt diese Größen auch Vektoren. Beispiele hierfür sind die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und die Kraft. Im Gegensatz dazu gibt es physikalische Größen, die nicht richtungsabhängig sind, diese bezeichnet man als Skalare. Beispiele sind hier die Zeit, die Masse und die elektrische Ladung.

Eine Kraft hat eine verformende oder eine beschleunigende Wirkung auf einen Körper. Wirken zwei oder mehrere Kräfte auf den Körper ein, so kann dies zu einer stärkeren Verformung oder einer höheren Beschleunigung des Körpers führen, unter bestimmten Bedingungen können sich die Wirkungen dieser Kräfte auch gegenseitig aufheben. Man spricht dann vom Kräftegleichgewicht. Zunächst soll nur das Gleichgewicht zweier Kräfte betrachtet werden.

Gleichgewicht zweier Kräfte

Zwei Kräfte, die an einem Körper angreifen, sind im Gleichgewicht, wenn sie

  • gleichen Betrag und
  • gleiche Wirkungslinie und
  • entgegengesetzte Richtung

besitzen.

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Symbolik: wenn sich die beiden Kräfte aufheben (sie "nullen" sich weg), kann man dies durch zwei Nullen andeuten.

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Im Kräftegleichgewicht ist neben dem Zustand der Ruhe auch die gleichförmige Bewegung möglich.

Hinweis: Bezüglich des Bewegungszustandes (v = 0 oder v = konstant) unterscheiden sich der völlig kräftefreie Zustand und der Zustand des Kräftegleichgewichts eines Körpers nicht. Im Gleichgewichtsfall wird der Körper allerdings mehr oder minder verformt. Dies lässt sich besonders leicht mit einem Tafelschwamm zeigen.

Der Mensch ist in Ruhe: \(v = 0\).

Die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G,Mensch}}\) des Menschen und die Kraft \(\vec F_{\rm{Boden}}\) des Bodens sind im Gleichgewicht.

Deshalb bleibt der Mensch in Ruhe: \(v = 0\).

Das Auto bewegt sich: \(v \ne 0\).

Die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G,Auto}}\) des Autos,  die Kraft \(\vec F_{\rm{Boden}}\) des Bodens, die Kraft \(\vec F_{\rm{Motor}}\) des Motors und die Reibungskraft \(\vec F_{\rm{Motor}}\) sind im Gleichgewicht.

Deshalb bewegt sich das Auto gleichförmig d.h. mit konstanter Geschwindigkeit weiter: \(v = \rm{konstant}\).

Bild: CC0/Veronica Martinez via pixabay

Zusammenfassung

Aus der Tatsache, dass die an einem Körper angreifenden Kräfte im Gleichgewicht sind (d.h. die resultierende Kraft ist Null) kann man schließen, dass sich der Körper im Zustand der gleichförmigen Bewegung befindet (incl. Sonderfall v = 0).

Auch der Umkehrschluss ist möglich:  Befindet sich ein Körper im Zustand der gleichförmigen Bewegung, so ist die resultierend Kraft Null.

 

 

Die fundamentalen Kräfte

Gravitationskraft
zum Artikel
Elektrische Kraft
zum Artikel
Magnetische Kraft
zum Artikel
Kernkraft
zum Artikel

Neben den fundamentalen Kräften gibt es noch eine Reihe von anderen aus den fundamentalen Kräften ableitbare Kraftarten, die im täglichen Leben eine große Bedeutung haben. In der folgenden Tabelle werden einige dieser "abgeleiteten Kräfte" vorgestellt und teilweise noch etwas näher behandelt.

Muskelkraft
zum Artikel
Federkraft
zum Artikel
Reibungskraft
zum Artikel
Auftriebskraft
zum Artikel

 

 

Die Gravitationskraft zwischen zwei Massen ist stets anziehend. Im Gegensatz dazu können elektrische und magnetische Kräfte anziehend oder abstoßend sein. Wie bei der Gravitationskraft nimmt die Kraftwirkung mit dem Abstand der Wechselwirkungspartner ab.

Elektrische Kraft

Es gibt zwei verschiedene Ladungsarten, die positive Ladung (meist durch  rote Farbe gekennzeichnet) und die negative Ladung (meist durch  blaue Farbe gekennzeichnet).

Ladungen sind die Ursache für das Auftreten elektrischer Kräfte.

Das Grundgesetz der Elektrostatik (Lehre von ruhenden elektrischen Ladungen) besagt:

Gleichnamig geladene Körper stoßen sich ab
Ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an
 

Es gilt (ähnlich wie bei der Gravitationskraft):

Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst (bei festem Abstand) der geladenen Körper mit dem Betrag der beteiligten Ladungen Q 1 und Q 2.
Bei festen Beträgen der Ladungen wächst die anziehende bzw. abstoßende Kraft mit der Verringerung des Abstands zwischen den geladenen Körpern.

Hinweis:

  • Ein Elektron (trägt eine negative Elementarladung) und ein Proton (trägt eine positive Elementarladung) bilden zusammen das Wasserstoffatom. Die elektrische Kraft zwischen Elektron und Proton ist etwa um 40 Größenordnungen (10 40) stärker als die Gravitationskraft zwischen diesen beiden Partnern.
  • Auch bei elektrischen und magnetischen Kraftwirkungen gilt das Wechselwirkungsgesetz von Newton. Die Kraft von der linken auf die rechte Ladung (actio) ist von gleichem Betrag aber entgegengesetzter Richtung wie die Kraft von der rechten auf die linke Ladung (reactio).

 

Magnetische Kraft

Es gibt zwei verschiedene Magnetpole, den magnetischen Nordpol (meist durch  rote Farbe gekennzeichnet) und den magnetischen Südpol (meist durch  grüne Farbe gekennzeichnet).

Magnetpole sind die Ursache für das auftreten magnetischer Kräfte.

Das Grundgesetz der Magnetostatik (Lehre von ruhenden magnetischen Polen) besagt:

Gleichnamig Pole stoßen sich ab
Ungleichnamige Pole ziehen sich an

Es gilt:

Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst (bei festem Abstand) der Magnete mit der "Stärke" der Magnetpole.

Bei festen "Stärken" der Magnetpole wächst die anziehende bzw. abstoßende Kraft mit der Verringerung des Abstands zwischen den Magneten.

Hinweise:

  • Anstelle der Dauermagnete könnte man sich auch von Gleichstrom durchflossene Spulen denken.
  • Während es isolierte positive und negative elektrische Ladungen gibt, treten die Magnetpole nicht isoliert auf. Man sagt: es gibt keinen magnetischen Monopol. Stabmagnete haben immer zwei Pole, man spricht von einem Dipol.
  • Magnetpole einerseits und elektrische Ladungen andererseits sind sehr verschiedene Dinge. Verwechsle sie nicht!

 

 

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