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Kraft in der Physik: Wirkung, Pfeile und Berechnung
Eine Kraft beschreibt, wie Körper aufeinander einwirken. Du erkennst sie daran, dass sich eine Bewegung oder die Form eines Körpers ändert. Mehrere Kräfte können sich auch ausgleichen, sodass keine Bewegungsänderung entsteht.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Woran erkennst du eine Kraft?
Kräfte selbst sind nicht sichtbar. Sichtbar sind ihre Wirkungen. Eine Kraft kann einen Körper:
- schneller oder langsamer machen,
- in eine andere Richtung lenken,
- elastisch oder dauerhaft verformen,
- bei sehr großer Belastung zerstören.
Beim Torschuss wird der Ball beschleunigt, umgelenkt und kurz verformt. Dagegen ist „Kraft tanken“ keine physikalisch genaue Aussage: Ein Körper speichert keine Kraft. Er kann Energie speichern und später eine Kraft auf einen anderen Körper ausüben.
Kraft
Eine Kraft ist eine gerichtete Wechselwirkungsgröße. Ihr Formelzeichen ist $F$, ihre Einheit ist Newton mit dem Einheitenzeichen $N$.
Es gilt:
$$1 N = 1 kg · m/s²$$
Ein Newton ist der Betrag der resultierenden Kraft, die eine Masse von $1 kg$ mit $1 m/s²$ beschleunigt.
Wie liest und zeichnest du einen Kraftpfeil?
Eine Kraft hat nicht nur eine Stärke, sondern auch eine Richtung. Deshalb wird sie durch einen Kraftpfeil dargestellt:
- Der Anfang des Pfeils ist der Angriffspunkt.
- Die Pfeilspitze zeigt die Richtung der Kraft.
- Die Pfeillänge stellt maßstäblich den Betrag, also die Stärke, dar.
Der Angriffspunkt liegt nicht automatisch in der Mitte des Körpers. Tritt ein Fuß seitlich gegen einen Ball, beginnt der Pfeil dort, wo der Fuß auf den Ball einwirkt. Bei ausgedehnten Körpern kann ein anderer Angriffspunkt auch eine andere Drehwirkung verursachen.
Du ziehst einen Schlitten am Seil nach rechts. Der Kraftpfeil beginnt am Befestigungspunkt des Seils, zeigt in Zugrichtung nach rechts und wird bei einer größeren Zugkraft länger gezeichnet.
Ein vollständiger Kraftpfeil beantwortet drei Fragen: Wo greift die Kraft an? Wohin wirkt sie? Wie groß ist sie?
Was geschieht, wenn mehrere Kräfte wirken?
Wirken mehrere Kräfte auf denselben Körper, kannst du sie zu einer resultierenden Kraft zusammenfassen. Sie hat dieselbe Wirkung wie alle Einzelkräfte gemeinsam.
Wirken Kräfte entlang derselben Linie in dieselbe Richtung, addierst du ihre Beträge. Wirken sie entgegengesetzt, ziehst du den kleineren Betrag vom größeren ab. Die Resultierende zeigt dann in Richtung der größeren Kraft.
Kräftegleichgewicht
Kräftegleichgewicht liegt vor, wenn die Vektorsumme aller Kräfte an einem Körper null ist. Bei zwei Kräften müssen dafür Betrag und Wirkungslinie übereinstimmen, während die Richtungen entgegengesetzt sind.
Bei Kräftegleichgewicht bleibt ein ruhender Körper in Ruhe. Ein bereits bewegter Körper bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Gleichgewicht bedeutet deshalb nicht automatisch Stillstand.
Ein Buch liegt ruhig auf einem Tisch. Die Gewichtskraft wirkt nach unten, die Stützkraft des Tisches nach oben. Beide Kräfte greifen am betrachteten Buch an und gleichen sich aus. Die resultierende Kraft ist null.
Wie unterscheiden sich Gleichgewicht und Wechselwirkung?
Kräfte entstehen durch Wechselwirkungen zwischen Körpern. Übt Körper A eine Kraft auf Körper B aus, übt B gleichzeitig eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus.
Diese beiden Kräfte bilden ein Wechselwirkungspaar. Sie greifen an verschiedenen Körpern an und heben sich deshalb nicht als Kräftegleichgewicht an einem einzelnen Körper auf.
Du drückst mit der Hand gegen eine Wand. Deine Hand übt eine Kraft auf die Wand aus. Gleichzeitig übt die Wand eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf deine Hand aus. Eine Kraft greift an der Wand an, die andere an deiner Hand.
Beim Bremsen eines Fahrzeugs bewegt sich ein ungesicherter Gegenstand zunächst weiter. Der Gegenstand besitzt keine nach vorn gerichtete Antriebskraft. Aufgrund seiner Trägheit behält er ohne ausreichende resultierende Kraft zunächst seinen Bewegungszustand bei. Erst eine reale Kraft, etwa durch einen Gurt oder ein Hindernis, bremst ihn ab.
Wie berechnest du eine beschleunigende Kraft?
Bei konstanter Masse und in klassischen, nichtrelativistischen Situationen gilt für die resultierende Kraft:
$$F = m · a$$
Dabei ist $m$ die Masse in Kilogramm und $a$ die Beschleunigung in Metern pro Quadratsekunde. Vor dem Einsetzen wandelst du alle Angaben in die passenden Grundeinheiten um.
Ein Auto mit der Masse $1,2 t$ soll mit $5 m/s²$ beschleunigt werden. Widerstände werden in diesem vereinfachten Modell nicht berücksichtigt.
- Masse umrechnen: $1,2 t = 1200 kg$.
- Zusammenhang wählen: $F = m · a$.
- Werte einsetzen: $F = 1200 kg · 5 m/s²$.
- Berechnen: $F = 6000 N = 6 kN$.
Die nötige resultierende Kraft beträgt in diesem Modell $6000 N$ beziehungsweise $6 kN$.
Je größer die resultierende Kraft bei gleicher Masse ist, desto größer ist die Beschleunigung. Bei gleicher Kraft wird eine größere Masse weniger stark beschleunigt.
$F = m · a$ beschreibt die resultierende Kraft bei konstanter Masse. Allgemeiner ist Kraft mit der zeitlichen Änderung des Impulses verbunden. Für die hier behandelten Schulaufgaben reicht die Form $F = m · a$ aus.
Wie kannst du eine Kraft messen?
Ein Federkraftmesser nutzt die Verformung einer geeigneten Feder. Je größer die Kraft ist, desto stärker wird die Feder innerhalb ihres vorgesehenen Messbereichs gedehnt. Den Kraftbetrag liest du in Newton an der Skala ab.
Nicht jeder dehnbare Körper eignet sich ohne Weiteres dafür. Bei einem Gummiband ist die Dehnung nicht unbedingt proportional zur Kraft. Eine einfache, gleichmäßig eingeteilte Skala wäre dann ungeeignet. Auch eine Feder darf nur in dem Bereich verwendet werden, für den ihr Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung bekannt ist.
Eine Kraft lässt sich außerdem dynamisch bestimmen: Sind Masse und Beschleunigung bekannt und ist die Masse konstant, wird die resultierende Kraft mit $F = m · a$ berechnet.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kraft
- wirkt durch Wechselwirkung
- verändert Bewegung oder Form
- hat Betrag, Richtung und Angriffspunkt
- wird in Newton angegeben
- wird als Kraftpfeil dargestellt
- ergibt mit anderen Kräften eine Resultierende
- kann sich am selben Körper ausgleichen
- lässt sich bei konstanter Masse mit F = m · a bestimmen
Abschluss-Check
Du hast den Kraftbegriff verstanden, wenn du zuerst den betrachteten Körper festlegst, alle an ihm angreifenden Kräfte unterscheidest und daraus ihre gemeinsame Wirkung bestimmst.