Aufgaben zu Kräften (Mittelstufe) - Lösungen

Was ist Kraft?

• Mit einer Kraft beschreibt man, wie an einem Gegenstand gezogen oder gedrückt wird:

2. Er schiebt den Einkaufswagen mit voller Kraft nach vorne.

5. Auch beim Basketball kann Krafttraining sinnvoll sein.

9. Sie tritt mit voller Kraft in die Pedale.

• Energie steckt in einem Gegenstand drin. Holt man die Energie heraus, kann man damit etwas antreiben:

1. Windenergiewerke (Windkraftwerke) werden oft in Küstennähe gebaut.

8. Benzin und Diesel sind Energieträger (Kraftstoffe) für Motoren.

• Der Effekt der Massenanziehung (Gravitation) und andere Wechselwirkungen wird auch als "Kraft" beschrieben. Damit ist nicht eine bestimmte Gewichtskraft gemeint, sondern das Phänomen insgesamt:

6. Wegen der Massenanziehung (Schwerkraft) werden Mond und Erde zusammengezogen.

• Oft wird mit dem Wort "Kraft" eine in den Dingen steckende Fähigkeit beschrieben. Im Gegensatz zur Energie kann man damit aber nicht etwa eine Maschine antreiben:

4. Kraft ihres Amtes verlieh sie ihm einen Orden.

10. Mit freudiger Tatkraft gingen sie an's Werk.

11. In dieser Pflanze steckt eine große Heilkraft.

• Ist etwas "kräftig", so meint man damit, dass es besonders intensiv ist:

3. Die frischen Blätter leuchten in einem kräftigen Grün.

• Jemand mit einer abgeschlossenen Berufsausbildung wird in der Wirtschaft als "Fachkraft" bezeichnet:

7. Es herrscht ein Mangel an Fachkräften.

Luftballon

a) Der Ballon wird von Paula zusammengedrückt.

b)	Außer den beiden Kräften, mit denen Paulas Hände gegen den Ballon drücken, drückt die Luft von Innen gegen die Ballonhaut. Außerdem zieht das Gravitationsfeld den Ballon noch ein bischen nach unten. Diese Kräfte sind aber nicht eingezeichnet.

c) Der Ballon steht unter Druckspannung.

d) Knete zusammendrücken, den Tafelschwamm zusammendrücken oder auseinanderziehen. Wenn man sich auf ein Kissen setzt, wird es zusammengedrückt.

Tauziehen

Beide Mannschaften ziehen gleich stark. Die einzelnen Personen ziehen mit einer Kraft von [math]F_1=295\,\rm N \ ; \ F_2=380\,\rm N \ ; \ F_3=365\,\rm N \ ; \ F_4=210\,\rm N \ ; \ F_5=300\,\rm N \ ; \ F_6=150\,\rm N [/math]

a)

b) Die linke Mannschaft zieht mit insgesamt [math]1040\,\rm N[/math]. Die rechte Mannschaft muss also auch so stark ziehen. Die ersten Drei der rechten Mannschaft ziehen aber nur mit [math]660\,\rm N[/math]. Deshalb zieht die 7. Person mit [math]1040\,\rm N - 660\,\rm N = 380\,\rm N[/math].

c) In der Mitte steht das Seil unter der größten Zugspannung, weil am mittleren Seil mit jeweils [math]1040\,\rm N[/math] zu beiden Seiten gezogen wird.

Eine Tasche festhalten und loslassen

Maria hat ihre Schultasche gewogen, sie hat eine Masse von 3kg. Dann hebt sie sie hoch und hält sie fest. Als sie keine Lust mehr hat festzuhalten, läßt sie einfach los.

a) Das Schnittbild

1) vor dem Loslassen:

2) Kurz nach dem Loslassen:

b) Solange Maria ihre Schultasche festhält, zieht sie die Tasche mit 30N nach oben und das Gravitationsfeld zieht mit 30N nach unten. Es gibt ein Kräftegleichgewicht und die Tasche bewegt sich nicht. Läßt Maria die Tasche los, so wirkt nur noch die Gewichtskraft nach unten und deswegen setzt sich die Tasche in Bewegung.

Eine Spielzeugpistole

a) In der Pistole ist eine Feder, die vorher zusammengedrückt wurde. Die Feder drückt von links auf die Kugel. Die Kugel wird aber vom Abzugshebel festgehalten. Drückt man den Hebel, so kann die Kugel wegfliegen.

b) Schneide die Kugel frei und zeichne die auf sie wirkenden Kräfte ein.

1) Vor dem Abdrücken

2) Nach dem Abdrücken

c) Wenn der Hebel die Kugel noch festhält, ist die Kugel im Kräftegleichgewicht. Sie wird von der Kraft der Feder und der Kraft des Hebels unter Druckspannung gesetzt, aber sie bewegt sich nicht. Sobald der Hebel weg ist, wirkt nur noch die Kraft der Feder und die Kugel setzt sich in Bewegung.

Masse und Gewicht

Erkläre die Begriffe und unterscheide sie voneinander mit Hilfe von Beispielsituationen:

Gravitation

Die Erde und ein Mensch werden von der Gravitation zusammengezogen, weshalb ein Mensch in Australien auch nicht von der Erde runterfällt.
Es werden sogar alle Gegenstände zueinander hingezogen. Bemerkbar macht sich das vor allem wenn einer der Gegenstände sehr groß ist, wie bei der Erdkugel und einem Menschen. Weil der Mond kleiner als die Erde ist, ist dort die Gravitation schwächer. Auch kleine Gegenstände werden zusammengezogen, aber die Kraft mit der sich zwei Menschen gegenseitig anziehen (im physikalischen Sinne ;) ist sehr, sehr klein!

Gewichtskraft

Halte ich eine Tasche fest, so spüre ich mit welcher Gewichtskraft die Tasche und die Erde zusammengezogen werden.
Außer der Erde kann man auch noch andere Himmelskörper wie den Mond oder den Mars betrachten. Die Gewichtskraft eines Gegenstandes ist auf der Erde, dem Mond oder dem Mars unterschiedlich!

Masse

Ich kaufe 1kg Mehl ein und fliege damit auf den Mond.
Die Masse eines Gegenstandes gibt an wieviel davon vorhanden ist. Das eine Kilo Mehl hat die gleiche Gewichtskraft wie das Standardkilogramm in Paris. Die Masse des Mehls ist auf der Erde und auf dem Mond die gleiche. (Wenn ich es nicht aufesse:)

Ortsfaktor

Das eine Kilo Mehl wird mit einer Kraft von [math]9{,}81\,\rm N[/math] zur Erde gezogen, zwei Kilo Mehl mit [math]19{,}62\,\rm N[/math] usw.
Das ist aber nur auf der Erde so! Auf dem Mond ist die Gewichtskraft eines Kilogramms nur [math]1{,}62\,\rm N[/math] und [math]3{,}24\,\rm N[/math] von zwei Kilogramm. Dort ist die Gravitationswirkung kleiner.
Die Gewichtskraft pro Masse, gemessen in Newton pro Kilogramm, nennt man "Ortsfaktor".
Der Ortsfaktor auf der Erde beträgt: [math]g=9{,}81\,\rm \frac{N}{kg}[/math].

Gewichtskraft

• Wie groß ist deine Gewichtskraft hier auf der Erde ungefähr?

Meine Masse beträgt ungefähr [math]m=50\,\rm kg[/math]. Dann berechnet sich meine Gewichtskraft zu:

[math]F_G=m\,g = 50\,\rm kg\!\!\!\! / \cdot 10\,\rm\frac{N}{kg\!\!\!\! / } = 500\,\rm N[/math]