Kraft - Masse - Dichte

1. Der physikalische Kraftbegriff

1.1 Kräfte wirken auf Körper

Im alltäglichen Sprachgebrauch wird der Begriff Kraft in unterschiedlichen Zusammenhängen und Bedeutungen benutzt: Sehkraft, Ausdruckskraft, Kraftfahrzeug, ...
In der Physik hat der Begriff Kraft eine genau festgelegte Bedeutung. Er steht im Zusammenhang mit Änderungen der Geschwindigkeit oder Änderungen der Bewegungsrichtung von Körpern.

Möglichkeiten für Geschwindigkeitsänderungen von Körpern:

Ein ruhender Körper wird in Bewegung gesetzt.
Ein Körper bewegt sich zunächst mit einer bestimmten Geschwindigkeit, dann wird die Geschwindigkeit größer.
Die Geschwindigkeit eines Körpers, der bereits in Bewegung ist, wird kleiner.

Übung 1:

Nennen Sie Beispiele für diese allgemein formulierten Geschwindigkeitsänderungen.

Die folgenden Beispiele sollen verdeutlichen, was unter der Änderung der Bewegungsrichtung zu verstehen ist.

Ein Motorrad fährt eine Kurve.
Ein Ball wird gegen eine Wand geworfen und kehrt zurück.

Der Bewegungszustand eines Körpers ist gekennzeichnet durch die Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung.
Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen sind also Änderungen des Bewegungszustandes.

Die Ursache dafür, dass ein Körper seinen Bewegungszustand ändert, wird in der Physik Kraft genannt.

Außerdem bewirkt eine Kraft meist auch noch eine Verformung des Körpers.

Die beiden Kraftwirkungen können bei einem Vorgang unterschiedlich stark ausgeprägt sein.

Übung 2:

Nennen Sie Beispiele für die Fälle:

Änderung des Bewegungszustandes unter nicht merklicher Verformung
Änderung des Bewegungszustandes mit merklicher Verformung
Verformung ohne Änderung des Bewegungszustandes.

In der Physik sind folgende Kräfte bekannt:

mechanische Kräfte	Muskelkraft, Anstoßen von Körpern, Kraftausübung über Seile, Stangen (Hebel), Rollen, Flaschenzüge, Antrieb durch Motoren, ..
magnetische Kraft	wird von Magneten auf andere Magnete oder ferromagnetische Stoffe ausgeübt
elektrostatische Kraft	wird von elektrischen Ladungen aufeinander ausgeübt
Gravitationskraft	wird von Massen aufeinander ausgeübt
Starke Kraft	führt zur Bindung von Kernbausteinen und damit zu stabilen Kernen
Schwache Kraft	führt zu radioaktiven Zerfällen

Lässt man einen Gegenstand los, den man zunächst in der Hand gehalten hat, setzt er sich in Bewegung und fällt zu Boden. Es wirkt also erkennbar eine Kraft auf den Gegenstand. Sie wird von der Erde auf jeden Körper, der sich auf der Erde befindet, ausgeübt. Sie ist immer zum Erdmittelpunkt gerichtet und wird als Gewichtskraft bezeichnet.

Eine Kugel befinde sich auf einer ebenen horizontalen Unterlage. Wird die Kugel kurz angestoßen, setzt sie sich in Bewegung. Wirkt dann keine Kraft mehr auf sie, würde sie sich immer weiter bewegen. Die Alltagserfahrung zeigt aber, dass sie schließlich doch langsamer wird und irgendwann wieder zur Ruhe kommt. Dies wird verursacht durch Reibungskräfte, die zwischen Kugel und Unterlage sowie zwischen Kugel und Luft wirken.

Übung 3:

1) Was versteht man unter „Aquaplaning“? Begründen Sie, warum man bei Aquaplaning ein Auto weder abbremsen noch lenken kann. Wie bewegt sich ein Auto bei Aquaplaning?

2) Welche Maßnahmen ergreift man in der Technik, um die Reibung von beweglichen Maschinenteilen zu verringern?

Die bisher zusammengetragenen Sachverhalte wurden schon im 17. Jahrhundert vom Begründer der „klassischen Mechanik“, dem englischen Physiker (oder, wie es damals hieß, „Naturphilosophen“) Isaac Newton (1643-1727) wie folgt zusammengefasst:

1. Newton'sches Axiom:

Jeder Körper beharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.

(Isaac Newton, Mathematische Prinzipien der Naturlehre, 1687)

Die Alltagserfahrung zeigt, dass die Wirkung einer Kraft von verschiedenen Dingen abhängt.

Einen Ball können Sie mit Muskelkraft in Bewegung setzen (Schießen, Werfen, Stoßen). Die Geschwindigkeit, die der Ball dabei erreicht, hängt ab von der Größe der Kraft, die Sie dabei aufwenden.
In welche Richtung der Ball sich bewegt, hängt von der Richtung der Kraft ab, die Sie ausüben. Die Bewegungsrichtung stimmt hier mit der Kraftrichtung überein.
Wenn Sie ein längeres Brett an einem Ende anfassen und unter Kraftaufwendung heben, so ist die Wirkung eine andere, als wenn Sie das Brett genau in der Mitte (in seinem Schwerpunkt) anfassen und anheben...

Kräfte sind gekennzeichnet durch

Größe (auch Betrag genannt)
Richtung
Angriffspunkt.

Sie werden daher zeichnerisch durch Pfeile dargestellt.

Abbildung 1

Abbildung 2

Übung 4:

1) Ein gefüllter Wassereimer wird angehoben. Zeichnen Sie ein Bild, und tragen Sie die Kraftpfeile der auftretenden Kräfte ein: Gewichtskraft des Eimers, Kraft zum Heben.

2) Ein Ball wird mit dem Fuß in Bewegung gesetzt, rollt über den Rasen, wird langsamer, und bleibt schließlich liegen. Skizzieren Sie die Bewegungsphasen und tragen Sie Kraftpfeile ein.

3) Finden Sie Beispiele zur Verdeutlichung der Wirkung einer Kraft bei verschiedenen Angriffspunkten. Skizzieren Sie jeweils die Situation und tragen Sie die Kraftpfeile ein.

4) In Abbildung 1 wirken noch mehr Kräfte als die eingezeichneten. Welche sind es? Tragen Sie die zugehörigen Kraftpfeile ein.

5) Die in Abbildung 2 eingezeichneten Pfeile sind keine Kraftpfeile – wieso? Welche Bedeutung haben die Pfeile im Bild?