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:

Willenskraft
Gewichtskraft
Waschkraft
Schaffenskraft

Federkraft
Muskelkraft
Überzeugungskraft
Reibungskraft

Verständnisaufgabe

Gib an, welche der oben genannten "Kräfte" solche im Sinne der Physik sind. Überprüfe deine Antwort mit dem [Lösung]-Button. Die rot geschriebenen Begriffe sind physikalische Kräfte.

Lösung

Willenskraft
Gewichtskraft
Waschkraft
Schaffenskraft

Federkraft
Muskelkraft
Überzeugungskraft
Reibungskraft

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.

 
Verständnisaufgabe

Erläutere, welche physikalische Gemeinsamkeit die Bilder oben (Abb. 1 bis Abb. 5) aufweisen, aufgrund derer man auf eine Kraftwirkung schließen kann.

Lösung

Abb. 1: Geschwindigkeitszunahme des Fahrzeugs

Abb. 2: Geschwindigkeitszunahme der Läufer beim Start

Abb. 3: Geschwindigkeitszunahme der Rennwägen beim Start

Abb. 4: Geschwindigkeitsabnahme des Balles beim Fangen

Abb. 5: Geschwindigkeitszunahme des Turmspringers

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.

6 Änderung der Bewegungsrichtung einer rollenden Kugel durch einen Magneten

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

Verständnisaufgabe

Hammerwerfer
unbekannt
Bei der Animation oben (Abb. 6) und den folgenden Bildern (Abb. 7 und 8) bleibe der Geschwindigkeitsbetrag des bewegten Körpers konstant, trotzdem wirkt jeweils eine Kraft. Überlege dir, welche physikalische Gemeinsamkeit du in den Bildern erkennst, die auf eine Kraftwirkung schließen lässt.

Lösung

Zentrifuge: Der Geschwindigkeitsbetrag der Gondel bleibt gleich, jedoch ändert sich laufend die Geschwindigkeitsrichtung.

Hammerwerfer: Auch hier ändert sich ständig die Richtung der Geschwindigkeit.

Stahlkugel: Auf die Stahlkugel wirkt eine magnetische Kraft. Sie bewirkt, dass sich die Geschwindigkeitsrichtung ändert.

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.

Boxer

Boxer
Abb. 9 Boxer beim Kampf
3dman_eu

muskelkraft_armdruecken.png

Armdruecken
Abb. 10 Armdrücken

car_crash.svg

Autounfall
Abb. 11 Zusammenstoss zweier PKW
by Z via openclipart.org
Verständnisaufgabe

Bei den Bildern oben (Abb. 9 bis Abb. 11) 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.

Lösung

Boxer: Beim Wirken der Kraft kommt es zu einer Verformung (z.B. des Boxhandschuhs oder des Kinns)

Armdrücken: Die Muskelkraft verformt die Blattfeder.

Auffahrunfall: Die beim Zusammenstoß wirkende Kraft verformt die Karosserie.

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

Das Wichtigste auf einen Blick

Sowohl die verformende als auch die beschleunigende Wirkung einer Kraft hängen von

dem Betrag (Stärke)

der Richtung und

dem Angriffspunkt

der Kraft ab.

Aus diesem Grund beschreiben wir Kräfte durch Pfeile.

Die Länge des Pfeils beschreibt den Betrag (Stärke) der Kraft.

Die Richtung des Pfeils beschreibt die Richtung der Kraft.

Der Fuß- oder Startpunkt des Pfeils (und nicht die Spitze!) beschreibt den Angriffspunkt der Kraft.

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

Faktoren bei der verformenden Wirkung einer Kraft

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1 Abhängigkeit der verformenden Wirkung einer Kraft von deren Stärke

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 gleiche 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.

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.

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2 Abhängigkeit der verformenden Wirkung einer Kraft von deren Richtung

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.

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.

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3 Abhängigkeit der verformenden Wirkung einer Kraft von deren Angriffspunkt

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.

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.

Faktoren bei der beschleunigenden Wirkung einer Kraft

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4 Abhängigkeit der beschleunigenden Wirkung einer Kraft von deren Stärke

Im oberen Teil der Animation lassen wir eine Kraft (symbolisiert durch die Hand) auf eine Kugel wirken. Im unteren Teil der Animation lassen wir an der gleichen Stelle (wir sagen in der Physik am gleichen Angriffspunkt) und in die gleiche Richtung eine Kraft mit anderer Stärke (wir sagen in der Physik mit einem anderen Betrag) (symbolisiert durch die etwas größere Hand) auf die Kugel wirken. Dabei beobachten wir, wie die Kugel jeweils beschleunigt.

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

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

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5 Abhängigkeit der beschleunigenden Wirkung einer Kraft von deren Richtung

Im oberen Teil der Animation hat sich im Vergleich zur ersten Animation nichts verändert. Im unteren Teil der Animation dagegen lassen wir eine Kraft mit gleich großem Betrag am gleichen Angriffspunkt, aber in eine andere Richtung auf die Kugel wirken. Dabei beobachten wir wieder, wie die Kugel jeweils beschleunigt.

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

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

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6 Abhängigkeit der beschleunigenden Wirkung einer Kraft von deren Angriffspunkt

Im oberen Teil der Animation hat sich im Vergleich zur ersten Animation wieder nichts verändert. Nun aber lassen wir im unteren Teil der Animation eine Kraft mit gleichem Betrag und in die gleiche Richtung, aber an einem anderen Angriffspunkt auf die Kugel wirken. Dabei beobachten wir wieder, wie die Kugel jeweils beschleunigt.

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

Ergebnis: Die beschleunigende Wirkung einer Kraft hängt von 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 Fuß- oder 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 führt dies meist zu einer stärkeren Verformung oder einer höheren Beschleunigung des Körpers. Unter ganz bestimmten Bedingungen können sich die Wirkungen dieser Kräfte aber auch gegenseitig aufheben. Man spricht dann vom Gleichgewicht der Kräfte oder vom Kräftegleichgewicht. Zunächst soll nur das Gleichgewicht zweier Kräfte betrachtet werden.

Gleichgewicht zweier Kräfte

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

gleichen Betrag und

gleiche Wirkungslinie und

entgegengesetzte Richtung besitzen.

Man sagt in diesem Fall auch oft "die Kräfte kompensieren sich" und spricht statt von Kräftegleichgewicht von Kräftekompensation, oder man sagt auch "die resultierende Kraft ist Null". Deshalb verdeutlichen wir das Gleichgewicht zweier Kräfte oft dadurch, dass wir beide Kraftpfeile durch eine Null markieren (die Kräfte "Nullen sich weg"; vgl. Animation unten).

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1 Mögliche Bewegungszustände eines Körpers, an dem Kräftegleichgewicht herrscht: der Körper bleibt entweder in Ruhe (links) oder aber er bewegt sich gleichförmig geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiter (rechts)

Hinweis: Bezüglich des Bewegungszustandes (\(v = 0\) oder \(v = \rm{konstant}\)) 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 \(\vec F_{\rm{Reibung}}\) sind im Gleichgewicht.

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

Bild: CC0/Veronica Martinez via pixabay

Aus der Tatsache, dass die an einem Körper angreifenden Kräfte im Gleichgewicht sind (d.h. die resultierende Kraft Null ist) kann man schließen, dass sich der Körper im Zustand der Ruhe (\(v = 0\)) oder der gleichförmigen Bewegung (\(v = \rm{konstant}\)).

Auch der Umkehrschluss ist möglich: Befindet sich ein Körper im Zustand der Zustand der Ruhe (\(v = 0\)) oder der gleichförmigen Bewegung (\(v = \rm{konstant}\)), so ist die resultierend Kraft Null.

Fundamentale Kräfte

Die Physik unterscheidet einige grundlegenden Krafttypen aufgrund ihrer unterschiedlichen Wirkungsarten. Für die Schule sind dabei die folgenden fundamentalen Kräfte besonders wichtig.

Gravitationskraft
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Elektrische Kraft
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Magnetische Kraft
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Kernkraft
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Hinweis: Bei genaueren Betrachtungen, die du erst später durchnehmen wirst, zeigt sich, dass die magnetische Kraft keine fundamentale Kraft, sondern nur eine Folge der elektrischen Kraft ist.

 

Abgeleitete Kräfte

Neben den fundamentalen Kräften gibt es noch eine Reihe von anderen Kräften, die im täglichen Leben eine große Bedeutung haben. Genauere Untersuchungen zeigen, dass alle diese Kräfte makroskopische Folgen der mikroskopischen Wirkung von fundamentalen Kräften sind. In der folgenden Tabelle werden einige dieser "abgeleiteten Kräfte" vorgestellt und teilweise noch etwas näher behandelt.

Muskelkraft
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Federkraft
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Reibungskraft
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Auftriebskraft
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