Die Kraft (Klasse 7)
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
Versuche
- Ein Expander wird auseinandergezogen. Wer kann am stärksten dran ziehen?
- Ein Luftballon wird zusammengedrückt.
Kann man auch nur an einer Seite des Expanders ziehen? (Kann man mit einer Hand den Reißverschluss aufmachen?)
Ja, das geht, aber der Expander dehnt sich nicht, sondern er bewegt sich.
- Ein auf einem Bürostuhl sitzender Mensch wird angeschoben und wieder abgebremst. (Evt. auch um die Kurvefahren)
- Ergebnisse
- Dass eine Kraft wirkt erkennt man an
- der Veränderung einer Bewegung
- Drückt oder zieht man an einem beweglichen Gegenstand, so kann man seine Bewegung verändern:
- Beschleunigen
- Bremsen
- Kurven fahren
- der Verformung von Gegenständen
- Drückt oder zieht man an zwei Seiten eines Gegenstandes, so kann man ihn verformen ohne dass er sich bewegt.
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.
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 garnicht 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!
Das Freischneiden und Einzeichnen von Kräften
Versuch: Tauziehen
Aber wo wirkt denn jetzt genau eine Kraft? Wir bauen einen und mehrere Kraftmesser ein.
- Beobachtung
Egal, wo und wieviele Kraftmesser wir in das Seil einbauen, sie zeigen alle das gleiche an!
- Ergebnis
Wer stärker zieht als der andere kann die andere Gruppe in Bewegung versetzen.
Das gesamte Seil steht unter Zugspannung. Schneidet man ein beliebiges Stück des Seils heraus, so wird an beiden Enden des Seils gezogen. Das zeichnen wir als Pfeil ein.
Beispiele
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.
Dem freigeschnittenen Gegenstand "fehlt" nun die Umgebung. Um die Wirkung der Umgebung auf den Gegenstand zu beschreiben, zeichnet man an den Schnitten Kräfte ein.
Eine Gewichtskraft entsteht durch das Gravitationsfeld, das überall am freigeschnittenen Gegenstand zieht oder drückt. Sie wird meistens als eine Kraft im Schwerpunkt eingezeichnet. Ebenso verfährt man bei magnetischen oder elektrischen Feldern.
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.
Eine Schraubzwinge.
Die Bretter freischneiden.
Das Schnittbild der Bretter.
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.
Das vordere Auto zieht das hintere.
Das Seil freischneiden.
Das Schnittbild des Seils.
Zwei Magnete
Nähert man zwei Magnete aneinander, so kann man 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.
Weil das Magnetfeld am gesamten Pol drückt und nicht nur an der Oberfläche des Magneten, zeichnet man die Pfeile in die "Mitte" der Pole.
Das Feld wird zusammengedrückt und steht unter Druckspannung.
Die beiden Nordpole werden auseinandergedrückt. Die Eisenfeilspäne macht dies sichtbar.
Das Magnetfeld wirkt wie eine zusammengedrückte elastische Feder.
Das Magnetfeld freischneiden.
Das Schnittbild des Magnetfeldes.
Ein Kran hebt einen Tanklaster an
Der Autokran hat den Laster angehoben, er hängt jetzt an vier Befestigungsseilen "in der Luft".
Möchte man den Laster freischneiden, so schneidet man durch die vier Befestigungsseile.
Ausserdem ist der Tanklaster "schwer": Der Laster und die Erde werden, wie durch ein Gummiband, vom Gravitationsfeld zueinandergezogen. Deshalb muss man den Laster auch vom Gravitationsfeld freischneiden. 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.
Der Laster wird vom Kran angehoben.
Das Gravitationsfeld wirkt wie ein Gummiband.
Den Laster freischneiden.
Das Schnittbild des Lasters.
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.
Der Schlitten wird von dem Menschen nach vorne gezogen.
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.
Messung von Kräften
- Praktikum: Kraftmesser selbst bauen mit einem Gummiring. (Gymnasium Friedberg, Bayern)
Links
- Wiktionary: Kraft
- Wikipedia: Kraft (Begriffsklärung)
- 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
- Geospatial Information Authority of Japan Informationen zum Erdbeben von 2011.
