Grundwissen

Kraft - Grundbegriffe aus der Mittelstufe


Theorie:

a) Erkennungsmerkmal von Kräften:
Kräfte erkennt man daran, dass sie Körper verformen und/oder ihren Bewegungszustand ändern.

Unter Änderung des Bewegungszustandes versteht man die Änderung des Betrages der Geschwindigkeit (Beispiel A) und / oder der Richtung der Geschwindigkeit (Beispiel B)

 

 


b) Trägheitssatz (Newton I)

Wirkt auf einen Körper keine Kraft, so ändert sich auch sein Bewegungszustand nicht. Das heißt der Körper behält Betrag und Richtung der Geschwindigkeit bei.
Beachte auch den Sonderfall v = 0.

 

 

 

c) Kraftmessung
Bei der Messung von Kräften mit der Federwaage nutzt man die verformende Wirkung von Kräften aus.

Für die Kalibrierung eines Kraftmessers sind die folgenden drei Vereinbarungen nötig:

 

 

 

 

  • Krafteinheit:
    Die Einheit der Kraft ist 1 N (1 Newton). Dies entspricht etwa der Gewichtskraft der Tafel Schokolade auf der Erde.
  • Kraftgleichheit:
    Zwei Kräfte besitzen den gleichen Betrag, wenn sie dieselbe elastische Schraubenfeder gleich stark dehnen.
  • Kraftvielfachheit:
    n gleichgerichtete Kräfte von jeweils gleichem Betrag ergeben zusammen die n-fache Kraft.


 


d) Bestimmungsstücke der Kraft

Die Wirkung einer Kraft hängt von deren drei Bestimmungsstücken ab:

 

 


e) Darstellung der Kraft

Die Bestimmungsstücke der Kraft können wie nebenstehend skizziert dargestellt werden.

Gerichtete Größen wie die Kraft bezeichnet man in der Physik als Vektoren.

 


f) Kräftegleichgewicht

Wirken auf einen Körper zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte von gleichem Betrag, dann herrscht am Körper Kräftegleichgewicht.


In diesem Fall ist der Körper im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung (v = konstant).
Im Gegensatz zum Fall völliger Kräftefreiheit, wird der Körper allerdings bei Kräftegleichgewicht verformt.
Besteht kein Kräftegleichgewicht, so wird der Körper in Bewegung gesetzt (beschleunigt) oder abgebremst.

 


g) Das Wechselwirkungsgesetz (Newton III)

Kräfte treten immer nur paarweise auf:
Greift der Körper A mit der Kraft am Körper B an, so übt B auf A die Gegenkraft vom gleichen Betrag und entgegengesetzter Richtung aus.

Beachte:
Kraft und Gegenkraft (actio und reactio) greifen an verschiedenen Körpern an und können daher nicht im Gleichgewicht sein.

 

Aufgaben

Musteraufgabe:

Wie kann man mit den nebenstehend skizzierten Mitteln einen Kraftmesser herstellen? Der Körper K habe die Gewichtskraft 1 N.

Wie kommt man insbesondere auf die Marken 2 N und 0,5 N?

 

Lösung:

  • Zuerst stellt man die Nullmarke fest (z.B: 0 N dort wo das Federende ist).
  • Nun legt man den Körper K auf die Schale und schreibt an den Ort des Federendes die Marke 1 N.
  • Nun legt auf die leere Schale soviel Knetmasse, bis wieder die Marke 1 N erreicht ist. Legt man nun den Körper K hinzu, so erreicht man die Marke 2 N.
  • Erzielung der Marke ½ N: Man teilt die Knetmasse mit der Gewichtskraft 1 N in zwei gleich schwere Teile und erreicht so die Marke ½ N. Sind die beiden Teile der Knetmasse gleich schwer so müssen die Feder gleich weit ausdehnen.

 

 

Weitere Aufgaben:

1. Stehen auf dem Boden
Die Gewichtskraft einer Person, die auf dem Zimmerboden steht, sei Fg = 600 N. Warum fällt diese Person nicht beschleunigt durch den Boden, es wirkt doch eine Kraft auf die Person?

2. Fallschirmsprung
Wenn ein Fallschirmspringer aus dem Flugzeug springt, nimmt seine Geschwindigkeit zunächst rasch zu. Nach etwa 10 s erreicht er – noch bei geschlossenem Fallschirm - eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 200 km/h. Sein Bewegungszustand ändert sich dann bis zum Öffnen des Fallschirms nicht mehr. Erkläre diese Vorgänge physikalisch einwandfrei.

3. Schwimmende Magnete
Zwei kleine Magnete sind an Styroporplättchen befestigt. Sie schwimmen in einem Wasserbecken Dem Nordpol des linken Magneten steht der Südpol des rechten Magneten gegenüber. Beschreibe und begründe, was passiert, wenn die zunächst festgehaltenen "Schiffchen" losgelassen werden