Die Kraft
(Klassische Mechanik > Kräfte und Gravitation)
ein natural Bodybuilder
ein Greiftrainer
ein Gummiband
Kugelschreiberfeder
Luftballon zusammendrücken...
oder auseinanderziehen
Ein Reifen ohne...
und mit Belastung.
Magnete zusammendrücken...
oder auseinanderziehen
Diese Prinzessin hängt an einer Feder.
Der Apfel wird festgehalten, damit er nicht runter fällt.
Federung an einem alten Eisaenbahnwaggon
Polster am Sofa
Krafttraining mit Hanteln
ein kaputter Tanklaster wird angehoben
"castellers" aus Katalonien
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.
An der Verformung von Gegenständen kann man erkennen, dass Kräfte wirken.
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. Oft wird der Begriff aber 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, Die Suppe wird dir Kraft geben!
- im Sinne einer Wechselwirkung zwischen Gegenständen
Die vier Grundkräfte der Physik: die Schwerkraft, die elektromagnetische Kraft, die starke Kraft, die schwache Kraft
- das menschliche Vermögen
Manneskraft, Tatkraft, Die hat Kraft!
- in der Wirtschaft
Arbeitskraft, Bürokraft, Ersatzkraft, Fachkraft, Schreibkraft
- etwas den Dingen Innewohnendes
Heilkraft, Lebenskraft,
- eine hohe Intensität
leuchtet in einem kräftigen Grün, ein kräftiger Händedruck,
- Begriffe und Redewendungen
kräftig, kräftigen, kraftlos, kraftvoll, Kraftprotz, verkraften, kraft meines Amtes, mit ganzer Kraft, volle Kraft voraus, das gibt Kraft, in Kraft setzen, außer Kraft setzen, in Kraft treten, außer 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.
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.
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Schneidet man einen Gegenstand aus seiner Umgebung frei, so geben die Kräfte an den Schnittflächen die Wirkung der Umgebung auf den Gegenstand an. |
Beispiele
Eine Schraubzwinge
Mit der Schraubzwinge wurden zwei Bretter miteinander verbunden. Welchen 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. Man sieht wie es zusammengedrückt wird, es 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.
Man erkennt, dass der Laster unter Zugspannung steht.
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. Der Schlitten hat direkten Kontakt zum Seil und an den Kufen zur Erde. Außerdem ist er durch das Gravitationsfeld mit der Erde verbunden.
Der Schlitten wird vom Schwerefeld nach unten gezogen, die Erde drückt von unten an die 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 steht also horizontal unter Zugspannung und vertikal unter Druckspannung.[1]
Der Schlitten wird über den Schnee gezogen.
Den Schlitten freischneiden.
Das Schnittbild des Schlittens.
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 große Brett mit der gleichen Kraft gegen die Schraubzwinge drückt wie die Schraubzwinge gegen das Brett. (blaue Pfeile) Nur die Richtungen sind gerade entgegengesetzt.
Das gilt auch für den anderen Schnitt (grüne Pfeile): Die Kräfte sind gleichgroß, aber entgegengesetzt.
Die Kräfte von verschiedenen Schnitten, also eine blaue und eine grüne, müssen nicht gleich groß sein. In diesem Fall sind sie es aber.
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Die Kräfte von verschiedenen Schnittbildern, die zur gleichen Schnittfläche gehören, sind entgegengesetzt gleich groß. |
Die Schnittflächen.
Das Schnittbild der Bretter.
Das Schnittbild des "Rests".
- ein Auto wird abgeschleppt
Das Seil wird durch zwei Kräfte straff gespannt, 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.
Wieder sind die wirkenden Kräfte, die zu dem selben Schnitt gehören entgegengesetzt gleich groß. Das Auto zieht genauso stark am Seil wie das Seil am Auto.[2]
Man schneidet an zwei Stellen.
Das Schnittbild des Seils.
Das Schnittbild des "Rests".
- Zwei Magnete
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.
Das Magnetfeld freischneiden.
Das Schnittbild des Magnetfelds.
Die Kräfte auf den "Rest".
- Ein Kran hebt einen Tanklaster an
Die Kraft, mit der das Feld am Laster zieht, ist die Gewichtskraft. Weiterhin ziehen alle vier Seile am Laster.
Andererseits zieht der Laster an den vier Seilen und auch am Gravitationsfeld wird gezogen.
Den Laster freischneiden.
Das Schnittbild des Lasters.
Die Kräfte auf den "Rest".
Meistens zeichnet man die Kraftpfeile ohne das Feld ein.
- Einen Schlitten ziehen
Das Gravitationsfeld zieht genauso stark am Schlitten wie der Schlitten am Feld.
Der Schlitten schiebt den Schnee nach vorne, genauso stark wie der Schnee den Schlitten bremst.
Das Seil zieht genauso stark am Schlitten, wie der Schlitten am Seil.
Drei Schnitte schneiden den Schlitten frei.
Das Schnittbild des Schlittens.
Das Schnittbild des "Rests".
Meistens zeichnet man die Kraftpfeile ohne das Feld ein.
Verschiedene Arten von Kräften
| Feldkräfte (Feld zieht/drückt) | Oberflächenkräfte (direkter Kontakt) |
|---|---|
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Fußnoten
- ↑ Die horizontal, parallel zum Erboden, wirkenden Kräfte wirken nicht längs einer Linie. Daran kann man erkennen, dass der Schlitten eine Neigung hat sich im Uhrzeigersinn zu drehen. Man sagt, es wirkt ein "Drehmoment", also eine Drehkraft, auf ihn.
- ↑ Zu Beginn des Abschleppvorganges, also beim Losfahren, beschleunigt das ziehende Auto das Seil und das andere Auto. In diesem Fall sind dann die blauen Kräfte etwas größer als die grünen. Beim Abbremsen gerade umgekehrt. Der Effekt ist aber ziemlich klein, weil die Masse des Seils so gering ist.
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)
- Freischneiden und Freikörperbild Physiki, Dr. rer. nat. Elke Müller
- 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.
