Die Kraft: Unterschied zwischen den Versionen
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Bild:Kraft Schraubzwinge mit Brett Schnittbild Bretter.jpg|Das Schnittbild der Bretter. | Bild:Kraft Schraubzwinge mit Brett Schnittbild Bretter.jpg|Das Schnittbild der Bretter. | ||
Bild:Kraft Schraubzwinge mit Brett Schnittbild Rest.jpg|Die Kräfte auf den "Rest". | Bild:Kraft Schraubzwinge mit Brett Schnittbild Rest.jpg|Die Kräfte auf den "Rest". | ||
Version vom 22. Oktober 2014, 19:51 Uhr
ein kaputter Tanklaster wird angehoben
ein natural Bodybuilder
Krafttraining
eine Gewichtheberin
Schuss!
Sprungwurf
Stabhochsprung
Stroboskopaufnahme eines hüpfenden Balls
kurz vor dem Schlag
während des Schlags
ein Fußball trifft eine Wand (Daniel Price, Loughborough University)
ein Auto wird abgeschleppt
Video: Crashtest Trabant
Inhaltsverzeichnis
Der Begriff der "Kraft" in der Physik und in der Alltagssprache
In der Physik
In der Physik versteht man unter einer Kraft wie an einem Gegenstand gezogen oder gedrückt wird.
Dabei ist sowohl die Stärke als auch die Richtung gemeint. Man spricht von einer vektoriellen Größe und kürzt sie mit [math]\vec F[/math] ab. (von engl. "Force") Die Kraft wird deswegen mit einem Pfeil dargestellt. Die Länge des Pfeils gibt die Stärke der Kraft an.
Dass eine Kraft wirkt erkennt man an
- der Verformung von Gegenständen oder
- der Veränderung einer Bewegung beim Bremsen, Beschleunigen, Kurven fahren
In der Alltagssprache
In der Alltagssprache versteht man häufig etwas anderes unter "Kraft". In manchen Fällen ist damit eher die Energie gemeint, die in etwas drinsteckt und mit der man etwas antreiben oder tun kann. Meistens aber wird der Begriff gar nicht in einem physikalischen Sinne gebraucht:
- Kraft im physikalischen Sinn
findet man häufig im Sport: Maximalkraft, Schnellkraft, Reaktivkraft und Kraftausdauer, Krafttraining, Kraftsport, Körperkraft
- im Sinne der physikalischen Energie
Windkraft(anlage), Kernkraft, Kraftwerk, Kraftfahrzeug, Kraftstoff
- das menschliche Vermögen
Manneskraft, Tatkraft
- in der Wirtschaft
Arbeitskraft, Bürokraft, Ersatzkraft, Fachkraft, Schreibkraft
- etwas den Dingen Innewohnendes
Heilkraft, Lebenskraft,
- Begriffe und Redewendungen
kräftig, kräftigen, kraftlos, kraftvoll, Kraftprotz, verkraften, kraft meines Amtes, außer Kraft setzen, außer Kraft treten, in Kraft setzen, in Kraft treten, ohne Saft und Kraft, wo rohe Kräfte sinnlos walten, Der hat Kraft!, Let the Force be with you,...
Das Freischneiden und Einzeichnen von Kräften
Durch das Einzeichnen von Kraftpfeilen kann man beschreiben, wie an einem Gegenstand gezogen oder gedrückt wird.
Dazu muss man zunächst den Gegenstand oder den Teil eines Gegenstandes "freischneiden", das heißt in Gedanken abtrennen.
An den Schnitten kann man dann Kräfte einzeichnen. Eine Gewichtskraft entsteht durch das Gravitationsfeld, das überall am freigeschnittenen Gegenstand zieht oder drückt. Sie wird meistens als eine Gewichtskraft im Schwerpunkt eingezeichnet. Ebenso bei magnetischen oder elektrischen Feldern.
Beispiele
- Eine Schraubzwinge
Mit der Schraubzwinge wurden zwei Bretter miteinander verbunden. Welcher Teil der Schraubzwinge oder der Bretter wollen wir untersuchen? Es ist wichtig sich für einen Gegenstand zu entscheiden. Will man die Kräfte auf die Schraube wissen? Oder auf den U-förmigen Bogen? Oder auf das linke Brett?
Wir wollen wissen, welche Kräfte auf die beiden Bretter wirken und schneiden daher die Bretter an den Kontaktflächen zur Schraubzwinge frei.
Die Bretter werden von zwei Kräften zusammengedrückt. Sie stehen unter Druckspannung.
Die Schraubzwinge wird von zwei Kräften auseinandergedrückt.
Eine Schraubzwinge.
Die Bretter freischneiden.
Das Schnittbild der Bretter.
Die Kräfte auf den "Rest".
- ein Auto wird abgeschleppt
Man könnte verschiedene Gegenstände untersuchen. Das ziehende Auto, das abgeschleppte Auto oder das Seil.
Wir wollen jetzt wissen, welche Kräfte auf das Seil wirken. Deshalb schneidet man das Seil mit zwei Schnitten frei. Man sieht nun gut, wie das Seil durch zwei Kräfte straff gespannt wird, es steht unter Zugspannung.
Am gezogenen Auto wirkt eine Kraft nach vorne. An der Abschleppöse des ziehenden Autos wird auch gezogen, bei zu starker Belastung kann die Öse auch ausreißen.
Das vordere Auto zieht das hintere.
Das Seil freischneiden.
Das Schnittbild des Seils.
Die Kräfte auf den "Rest".
- Einen Schlitten ziehen
Hier möchte man gerne wissen welche Kräfte auf den Schlitten wirken. Dazu schneidet man durch das Seil direkt am Schlitten und längs der Kufen.
Das Seil zieht den Schlitten nach vorne. Durch die Reibung zwischen Kufen und Schnee wird der Schlitten nach hinten gezogen.
Bemerkenswert ist, dass die Reibungskraft parallel zur Schnittfläche wirkt!
Der Schlitten wird über den Schnee gezogen.
Den Schlitten freischneiden.
Das Schnittbild des Schlittens.
Die Kräfte auf den "Rest".
- Zwei Magnete
Nähert man zwei Magnete aneinander, so kann die Kräfte spüren. Die beiden magnetischen Nordpole werden voneinander weggedrückt und "wollen" nicht zusammenkommen. Das liegt an dem Magnetfeld, das die beiden Pole, ähnlich wie eine Feder, voneinander wegdrückt.
Will man hier Kräfte einzeichnen, so muss man sich wieder überlegen was man freischneiden will. Hier wird das Magnetfeld freigeschnitten. Das Feld wird zusammengedrückt und steht unter Druckspannung.
Die Magnetpole werden auseinander gedrückt. Häufig zeichnet man das Feld nicht ein, sondern nur die Pfeile an die Magnetpole.
HIER KOMMEN NOCH DIE BILDER VON DEN MAGNETEN HIN!
- ein Kran hebt einen Tanklaster an
Der Tanklaster ist schwer. Der Laster und die Erde werden, wie durch ein Gummiband, vom Gravitationsfeld zueinandergezogen.
Möchte man den Laster freischneiden, so schneidet man durch die vier Befestigungsseile. Außerdem ist der Laster ja noch durch das Feld mit der Erde verbunden. Auch hier schneidet man.
Die Kraft, mit der das Feld am Laster zieht, ist die Gewichtskraft. Sie wirkt eigentlich auf alle Teile des Lasters gleichmäßig. Der Einfachheit halber wird sie aber "in der Mitte", im Schwerpunkt, eingezeichnet. Weiterhin ziehen alle vier Seile am Laster.
Andererseits zieht der Laster an den vier Seilen und auch am Gravitationsfeld wird gezogen.
Meistens zeichnet man aber die am Feld ziehende Kraft nicht ein. Man läßt das Feld einfach weg und zeichnet den Kraftpfeil direkt an die Erde.
Der Laster wird vom Kran angehoben.
Das Gravitationsfeld wirkt wie ein Gummiband.
Den Laster freischneiden.
Das Schnittbild des Lasters.
Die Kräfte auf den "Rest".
Meistens zeichnet man die Kraftpfeile ohne das Feld ein.
Das Wechselwirkungsprinzip ("actio = reactio")
Bisher wurde in den verschiedenen Situationen jeweils ein Gegenstand freigeschnitten und im Schnittbild die Kräfte auf diesen Teil eingezeichnet.
Damit bleibt immer ein "Rest" übrig. Welche Kräfte wirken auf die übrig gebliebenen Gegenstände?
- Eine Schraubzwinge
Die Bretter werden von zwei Kräften zusammengedrückt. Sie stehen unter Druckspannung.
Die Schraubzwinge wird von zwei Kräften auseinandergedrückt.
Es ist logisch, dass
Das Schnittbild der Bretter.
Die Kräfte auf den "Rest".
- ein Auto wird abgeschleppt
Man könnte verschiedene Gegenstände untersuchen. Das ziehende Auto, das abgeschleppte Auto oder das Seil.
Wir wollen jetzt wissen, welche Kräfte auf das Seil wirken. Deshalb schneidet man das Seil mit zwei Schnitten frei. Man sieht nun gut, wie das Seil durch zwei Kräfte straff gespannt wird, es steht unter Zugspannung.
Am gezogenen Auto wirkt eine Kraft nach vorne. An der Abschleppöse des ziehenden Autos wird auch gezogen, bei zu starker Belastung kann die Öse auch ausreißen.
Das vordere Auto zieht das hintere.
Das Seil freischneiden.
Das Schnittbild des Seils.
Die Kräfte auf den "Rest".
- Einen Schlitten ziehen
Hier möchte man gerne wissen welche Kräfte auf den Schlitten wirken. Dazu schneidet man durch das Seil direkt am Schlitten und längs der Kufen.
Das Seil zieht den Schlitten nach vorne. Durch die Reibung zwischen Kufen und Schnee wird der Schlitten nach hinten gezogen.
Bemerkenswert ist, dass die Reibungskraft parallel zur Schnittfläche wirkt!
Der Schlitten wird über den Schnee gezogen.
Den Schlitten freischneiden.
Das Schnittbild des Schlittens.
Die Kräfte auf den "Rest".
- Zwei Magnete
Nähert man zwei Magnete aneinander, so kann die Kräfte spüren. Die beiden magnetischen Nordpole werden voneinander weggedrückt und "wollen" nicht zusammenkommen. Das liegt an dem Magnetfeld, das die beiden Pole, ähnlich wie eine Feder, voneinander wegdrückt.
Will man hier Kräfte einzeichnen, so muss man sich wieder überlegen was man freischneiden will. Hier wird das Magnetfeld freigeschnitten. Das Feld wird zusammengedrückt und steht unter Druckspannung.
Die Magnetpole werden auseinander gedrückt. Häufig zeichnet man das Feld nicht ein, sondern nur die Pfeile an die Magnetpole.
HIER KOMMEN NOCH DIE BILDER VON DEN MAGNETEN HIN!
- ein Kran hebt einen Tanklaster an
Der Tanklaster ist schwer. Der Laster und die Erde werden, wie durch ein Gummiband, vom Gravitationsfeld zueinandergezogen.
Möchte man den Laster freischneiden, so schneidet man durch die vier Befestigungsseile. Außerdem ist der Laster ja noch durch das Feld mit der Erde verbunden. Auch hier schneidet man.
Die Kraft, mit der das Feld am Laster zieht, ist die Gewichtskraft. Sie wirkt eigentlich auf alle Teile des Lasters gleichmäßig. Der Einfachheit halber wird sie aber "in der Mitte", im Schwerpunkt, eingezeichnet. Weiterhin ziehen alle vier Seile am Laster.
Andererseits zieht der Laster an den vier Seilen und auch am Gravitationsfeld wird gezogen.
Meistens zeichnet man aber die am Feld ziehende Kraft nicht ein. Man läßt das Feld einfach weg und zeichnet den Kraftpfeil direkt an die Erde.
Der Laster wird vom Kran angehoben.
Das Gravitationsfeld wirkt wie ein Gummiband.
Den Laster freischneiden.
Das Schnittbild des Lasters.
Die Kräfte auf den "Rest".
Meistens zeichnet man die Kraftpfeile ohne das Feld ein.
Verschiedene Arten von Kräften
| Feldkräfte (Feld zieht/drückt) | Oberflächenkräfte (direkter Kontakt) |
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Links
- Wiktionary: Kraft
- Wikipedia: Kraft (Begriffsklärung)
- Wikipedia: Freischneiden von Kräften
- Freischneiden von Kräften (Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler)
- Video: free body diagram (youtube: "gmuchomas")
- Video: Freischneiden von Kräften (Werner Maurer)
- H. Schrecker: Der Weg zum physikalischen Kraftbegriff von Aristoteles bis Newton. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie. 36, Nr. 34, 1988, (gekürzte Fassung im Webarchiv)
- Biomechanik Prof. Dieter Suter, Uni Dortmund
- Geospatial Information Authority of Japan Informationen zum Erdbeben von 2011.
