Oft wird darüber gesprochen, dass ein Mensch kräftig ist oder viel Kraft hat. Physikalisch gesehen ist diese Formulierung jedoch falsch. Kraft ist in der Physik keine Eigenschaft, die ein Körper oder Gegenstand besitzen kann. Vielmehr beschreibt Kraft, inwieweit verschiedene Körper untereinander wechselwirken.
Ob eine Kraft wirkt, kann man oft im Alltag beobachten. Wenn ein Körper
- deformiert wird
- beschleunigt wird und/ oder
- seine Bewegungsrichtung ändert
wirken Kräfte auf ihn ein. "Beschleunigung" benutzt man in der Physik übrigens etwas allgemeiner als in der Alltagssprache. Man meint damit nicht nur das Schneller-werden, sondern auch das Bremsen ("negative Beschleunigung") oder auch nur Richtungsänderungen wie bei Kreisbewegungen. Kurz: Alles, was die Bewegung in Richtung oder Geschwindigkeit ändert, ist Beschleunigung.
Kraftpfeile
Kräfte haben nicht nur eine Stärke, sondern auch eine Richtung. Physiker nennen das eine "vektorielle Größe". Wenn man auch die Richtung in der Untersuchung mit einbezieht, schreibt man statt F. Man kann dann mit Vektoren bzw. Pfeilen Informationen darstellen oder ermitteln, etwa die Gesamtkraft beim Zusammenwirken von mehreren Kräften. Die Pfeilrichtung ist die Kraftrichtung, die Pfeil-Länge entspricht nach einem gewählten Maßstab (z.B. 1cm Länge entspricht 5N Kraft) der Stärke der Kraft. Mehr dazu in den folgenden Kapiteln.
Arten von Kräften
Im Folgenden werden einige Kräfte aufgelistet, über die du mehr erfahren kannst:
Gewichtskraft
Reibungskraft
z.B. Schrank auf Boden verrutschen
Die Formel für die Reibungskraft lautet auf einer geraden Ebene:
Dabei gilt:
- ist der Reibungskoeffizient/ Reibungszahl
- m ist die Masse des Körpers in kg
- g ist der Ortsfaktor (auf der Erde g= 9,81
Hangabtriebskraft
Zur Hangabtriebskraft findest du hier ein Erklärvideo allgemein:
{
"src": "https://youtu.be/v1KlcdbVO5A",
"alt": ""
}und hier ein Video, wie man die Konstruktion mit den Kraftpfeilen an der schiefen Ebene mit Geogebra durchführt (und dann mit den Größen "spielen" kann):
{
"src": "https://youtu.be/gbVZFh89sHg",
"alt": ""
}Die Formel für die Hangabtriebskraft lautet:
Dabei gilt:
- m ist die Masse (d.h. die Materiemenge) des Körpers, gemessen in kg
- g ist der Ortsfaktor (auf der Erde g = 9,81
- ist der Neigungswinkel der Ebene
Federkraft
z.B. rücktstoßende Kraft bei Federpendel
Die Formel für die Federkraft lautet:
Dabei gilt:
- k ist die sogenannte Federkonstante in der Einheit
- ist die Auslenkung der Feder in Meter
- Das Minuszeichen wird benötigt, da die Auslenkung der Federkraft entgegengesetzt ist
Newtonsche Gesetze
Der Wissenschaftler Sir Isaac Newton formulierte 3 Prinzipien, die heute in der Dynamik unverzichtbar sind:
- Trägheitsprinzip: Ein kräftefreier Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit
- Aktionsprinzip: Wirkt eine Kraft F auf einen Körper der Masse m, dann beschleunigt diese Kraft den Körper
- Reaktionsprinzip: Wirkt ein Körper A auf einen Körper B mit der Kraft F, so übt auch Körper B auf Körper A eine gleichgroße Kraft aus. Jedoch mit entgegengesetzter Richtung bzw. Vorzeichen.
Darstellung von Kräften
Kraft ist eine Größe mit einer Richtung, die man mit Hilfe von Pfeilen/ Vektoren darstellen kann (man schreibt deshalb auch oft ). Diese werden beschrieben durch
- die Länge des Pfeils, welche (nach einem gewählten Maßstab wie z.B. 5cm Länge entspricht 1N Kraft) die Stärke der Kraft darstellt
- die Richtung des Pfeils, welche die Richtung der Kraft darstellt
- den Startpunkt des Pfeils, welcher den Angriffspunkt der Kraft darstellt
Wirken auf einen Körper zwei Kräfte, so zeichnet man diese jeweils als Pfeile mit gleichen Anfangspunkt ein. Die resultierende Kraft (die Kraft, die letztendlich auf den Körper wirkt) kann man dann als Diagonale des Kräfteparallelogramms konstruieren:
Einheit
Die Kraft wird in der Einheit "Newton" (kurz: N) angegeben :
[F] = 1 1 N (Newton)
Beispiel
Ein Auto der Masse
i) beschleunigt mit 12
ii) fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60
Berechne jeweils, welche Kraft in Situation i) und ii) auf das Auto wirkt. Vernachlässige dabei Reibungseffekte.
Lösung
Im Folgenden ist das zweite Newton'sche Gesetz und die Formel nützlich.
Zu Situation i): Du kannst die Masse und die Beschleunigung in die Formel einsetzen und erhältst:
Zu Situation ii): Das Auto fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit, das heißt das Auto beschleunigt nicht (). Setzt du diesen Wert wieder in die Formel ein, erhältst du:
Es wirkt also keine Kraft auf das Auto.