Mechanik

Kraft und Kraftarten

Beschreibung von Kräften

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

Beschreibung von Kräften

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)

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Abb.
7
Zeichnerische Darstellung von Kräften durch Pfeile

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.

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