Kraft
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Kräfte können sich auf zwei Arten zeigen: Durch Verformung oder durch Beschleunigung. Mit Hilfe von Kraftmessern können wir sie auch messen. Kräfte sind Vektorgrössen, d.h. sie haben einen Betrag (in Newton) und eine Richtung. Als Vektor kann eine Kraft mit einer anderen Kraft addiert werden oder eine Kraft kann in zwei oder mehrere Teilkräfte zerlegt werden.

Die Physik kennt 4 Grundkräfte: Die starke Kraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die Gravitationskraft. Letztere ist zwar bei weitem die Schwächste, jedoch bewirkt sie auf der Erde die Erdanziehung. Die anderen Kräfte unseres Alltags klassifizieren wir als abgeleitete Kräfte, die letztlich fast alle auf die elektromagnetische Kraft zurückzuführen sind.

Definitionen

Abkürzung: $F$

Einheit: $[\,F\,] = \mathrm{N} = \; \large\frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} \quad$ (Newton)

Wirkung von Kräften

Kräfte sind eigentlich ein komplexes Konzept und direkt sind sie nicht messbar. Ihre Wirkung kann aber auf zwei Arten beobachtet werden und über diese beiden Arten können wir Kräfte dann auch indirekt messen:

Verformung aufgrund einer Kraft
Verformung aufgrund einer Kraft, sichtbar gemacht mit polarisiertem Licht, Image by Nevit Dilmen, licensed under CC BY-SA 3.0

Verformungen entstehen, wenn z.B. ein Schwamm zusammengedrückt oder ein Gummiband auseinander gezogen wird. Man spricht in diesen Fällen auch von Druck- bzw. Zugkräften, die wirken. Selbst sehr grosse Strukturen oder scheinbar unendlich harte Materialien werden durch Kräfte leicht zusammengedrückt oder auseinander gezogen: Mit spezialisierter Software können beispielsweise die Kräfte (Spannungen) und Verformungen in geplanten Brücken oder Gebäuden berechnet werden. Damit kann der oder die Ingenieur(in) wichtige Anpassungen vornehmen.

Beschleunigung aufgrund einer Kraft
Beschleunigung aufgrund einer Kraft, Image by Ryan Bayona, licensed under CC BY-SA 2.0

Kräfte können auch eine andere sichtbare Wirkung haben: Ein Körper, der einer Kraft ausgesetzt ist, erfährt eine Beschleunigung. Ein Auto ändert beschleunigt mit Hilfe der Kraft, die der Motor entwickelt. Ein fallender Gegenstand kann aus der Ruhe heraus losgelassen werden. Sehr schnell wird er eine immer grössere Fallgeschwindigkeit entwickeln, denn er erfährt die Erdbeschleunigung. Diese ist eine direkte Folge der Gravitationskraft zwischen der Erde und dem Gegenstand.

Sobald der Gegenstand auf den Boden auftrifft, bremst ihn eine Kraft abrupt ab. Die Kraft wird vom Boden bewirkt und heisst Normalkraft. Auch diesem Fall erkennen wir die Kraftwirkung an der (dieses Mal negativen) Beschleunigung. Zerbricht der Gegenstand, entsteht eine Delle oder spickt er wie ein Gummiball weg, haben wir zusätzlich die Verformung als Zeuge einer Kraftwirkung.

Es mag auf den ersten Blick erstaunen, dass nicht-lebendige Objekte, wie der Boden oder ein Tisch, in der Lage sind, Kräfte auszuüben. Es braucht keine Muskeln. Legen wir einen Stapel Bücher auf den Tisch, so drückt die Gewichtskraft der Bücher $F_G$ nach unten. Der Tisch drückt aber dagegen und zwar nach oben, mit der sog. Normalkraft $F_N$. Ein kleiner Käfer unter dem Stapel der Bücher könnte das bezeugen: Nicht nur die Bücher drücken von oben, sondern auch der Tisch von unten.

Gewichtskraft und Normalkraft
Die Bücher wirken mit ihrer Gewichtskraft auf den kleinen Käfer. Der Tisch wirkt mit der (gleich grossen) Normalkraft von unten. (© by Yangchen Brunner)

Dass dem so ist, können wir auch zeigen, wenn wir einen kleinen Schwamm oder eine kleine Feder zwischen Bücher und Tisch legen. Die Verformung zeigt an, dass Kräfte wirken.

Grundlagen

Kraftmesser
Kraftmesser: Je grösser die Kraft, desto stärker wird die Feder auseinander gezogen (Hooke’sches Gesetz). Die Position des Federendes wird auf einer Skala angezeigt, so dass die Stärke der Kraft in Newton abgelesen werden kann.

Wenn Kräfte z.T. Verformungen erzeugen, so können wir mit der Stärke der Verformung auch die Stärke der Kraft messen. Das wird tatsächlich so gemacht, mit sog. Kraftmessern. Die einfachsten Kraftmessern bestehen aus einer Feder und einem beweglichen Haken, der an der Feder angemacht ist. Je stärker die Kraft, desto stärker die Verformung der Feder. Die Stärke der Verformung zeigt eine Farbmarke, die den Wert der Kraft auf einer Skala anzeigt.

Kräfte haben nicht nur einen Betrag, den wir mit einem Kraftmesser messen können, sondern auch eine Richtung. In der Physik werden Kräfte deshalb als Vektoren beschrieben und in Skizzen mit Pfeilen dargestellt. Die Länge des Pfeils entspricht dem Betrag der Kraft. Die Richtung des Pfeils der Wirkungsrichtung der Kraft.

Beachte, dass Kräfte üblicherweise so gezeichnet werden, dass der Kraftpfeil an seinem “Schwanzende” angreift und von dort aus “zieht”. Wir zeichnen deshalb zuerst den Angriffspunkt und von da aus den Pfeil, von hinten her. Ausnahmsweise ist es schon auch erlaubt die Kraftpfeile so zu zeichnen, dass sie mit ihrer Pfeilspitze “drücken”, z.B. um eine Skizze unübersichtlicher zu gestalten.

Darstellung einer Kraft mit Kraftpfeil
Eine Kraft wird mit einem Kraftpfeil dargestellt, wobei der Pfeil an seinem hinteren Ende angreift, nicht an seiner Spitze (Konvention)

Besondere Aufmerksamkeit verdient ausserdem die Wirkungslinie der Kraft, die vor allem in der Diskussion von Drehmomenten eine wichtige Rolle spielt. Es ist die Verlängerung des Kraftpfeils in beide Richtungen. Der Kraftpfeil darf auf seiner Wirkungslinie verschoben werden, ohne dass sich etwas an der darunter liegenden Physik ändert.

Abgeleitete Kräfte

Abgeleitete Kräfte
In der Mechanik arbeiten wir v.a. mit abgeleiteten Kräften. Die Gewichtskraft entsteht aufgrund der Gravitationskraft. Alle anderen abgeleiteten Kräfte sind eine Folge der elektromagnetischen Kraft.

Auch wenn die Physiker von vier Grundkräften ausgehen, so sind diese für die Beschreibung von Alltagssituation ungeeignet. Die Kräfte werden deshalb anders klassifiziert, damit sie praktischer und anschaulicher werden. Die Gewichtskraft eines Gegenstands ist dabei nichts anderes als die Gravitationskraft zwischen der Gegenstandsmasse und der Masse der Erde. Alle anderen Kräfte sind erstaunlicherweise Folgen der einen Grundkraft, nämlich der elektromagnetischen Kraft. Beispielsweise ist die Normalkraft die Reaktion eines Festkörpers gegen das Drücken durch einen anderen Gegenstand. Die Elektronenwolken des einen Körpers halten zusammen und wehren die Elektronenwolken des anderen Körpers ab.

Die restlichen abgeleiteten Kräfte sind:

  • Die Reibungskraft ist die Widerstandskraft zweier aneinander reibenden Flächen
  • Die Federkraft ist die Widerstandskraft eines elastischen Materials gegen seine Verformung
  • Die Luftwiderstandskraft gehört zum Strömungswiderstand, der durch Reibung und Umlenkung der Luft entsteht
  • Die Auftriebskraft entsteht durch verschiedene Dichten in Flüssigkeiten oder Gasen

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