Zusammenwirken von Kräften und Kräftegleichgewicht
Was passiert, wenn man auf einer Seite losläßt?
Mit welcher Kraft muss die Gewichtheberin nach oben drücken?
Dieser Luftballon wird von zwei Seiten gedrückt.
Gleich trifft der Fuß auf den Ball...
Versuch: Kräfte(un)gleichgewicht auf dem Bürostuhl (Als Animation)
- Aufbau
a) Anton sitzt auf einem Bürostuhl mit Rollen und streckt die Arme nach rechts und links. In den Händen hält er je ein Seil. Berta und Carla ziehen an den Seilen nach rechts, bzw. nach links.
b) Anton auf dem Stuhl nimmt Kraftmesser in die Hand, die an den Seilen befestigt werden.
- Beobachtung
a) Anton fühlt wie er auseinander gezogen wird. Manchmal bewegt sich der Stuhl mit Anton nach rechts, manchmal nach links und manchmal bleibt der Stuhl stehen.
b) Wenn beide Kraftmesser das gleiche anzeigen, bleibt der Stuhl stehen. Zeigt ein Kraftmesser eine größere Kraft als der andere an, so fängt der Stuhl an sich zu bewegen.
- Erklärung
Sind die Kräfte nach links und rechts entgegengesetzt gleich groß, so heben sie sich auf. ("Kräftegleichgewicht") Die Summe der Kräfte ist Null. Anton steht zwar unter Zugspannung, bleibt aber in Ruhe. Ist die Kraft zu einer Seite etwas größer als die andere, so ist die Summe der Kräfte ist nicht mehr Null. Der Stuhl bewegt sich in die Richtung der größeren Kraft.
Berta und Carla ziehen nach Außen, das Gravitationsfeld zieht Anton und die Erde zueinander.
Um die Kräfte auf Anton und den Stuhl genauer zu beschreiben, schneidet man ihn mit dem Stuhl von der Umgebung frei und zeichnet Kraftpfeile ein.
Es wirken an den Händen Kräfte nach links und rechts. Die Gewichtskraft zieht nach unten und an den Rollen des Stuhls wirken Kräfte, die den Stuhl nach oben drücken. Anton hat zusammen mit dem Stuhl eine Masse von 60kg, es wirkt eine Gewichtskraft von ca. 600N nach unten. Bei zwei Rollen müssen also pro Rolle 300N nach oben drücken.
Legt man die Kraftpfeile aneinander, so sieht man, dass sowohl horizontal als auch vertikal die Kraftsumme Null ist.
Hier zieht Berta stärker nach links als Carla nach rechts.
In vertikaler Richtung (Oben-Unten) herrscht noch Kräftegleichgewicht. In horizontaler Richtung (Rechts-Links) herrscht kein Kräftegleichgewicht.
Die Summe der horizontalen Kräfte (blauer Pfeil) ist eine Kraft nach links. Der Stuhl beginnt sich nach links zu bewegen.
Versuch: Tasche festhalten und loslassen
- Aufbau
Man hält eine Tasche "in die Luft". Dann läßt man los.
- Beobachtung
Zunächst bleibt die Tasche in Ruhe, nach dem Loslassen setzt sie sich nach Unten in Bewegung.
- Erklärung
Man schneidet die Tasche aus der Umgebung frei. Die Gewichtskraft zieht die Tasche nach unten, mit der entgegengesetzt gleichgroßen Kraft drückt die Hand gegen die Halteschlaufe. Die Tasche ist im Kräftegleichgewicht, die Kraftsumme ist Null.
Nach dem Loslassen wirkt nur noch die Gewichtskraft. Die Tasche ist nicht mehr im Kräftegleichgewicht und beginnt sich nach unten zu bewegen.
Wie ein Gummiband zieht das Gravitationsfeld Tasche und Erde zusammen.
Um die Kräfte auf die Tasche einzuzeichnen, schneidet man sie frei.
Die Tasche ist im Kräftegleichgewicht, denn...
...die Summe beider Kräfte ist Null.
Wenn die Tasche losgelassen wird...
...hat die Tasche nur noch Kontakt zum Gravitationsfeld.
Und man muss die Tasche nur vom Feld in Gedanken freischneiden.
Die Gewichtskraft ist nun die einzige wirkende Kraft, weswegen die Tasche anfängt sich nach unten zu bewegen.
|
Links
- Simulation: Tauziehen Käftegleichgewicht, Kraft und Bewegung (PhET "Interactive Simulations" der University of Colorado at Boulder)
