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Kräfte

Kräfte

Wenn Du ein Physik-Lehrbuch aufschlägst, so findest Du die folgende Definition für Mechanik in der einen oder anderen Form:

Wissenschaft von der Bewegung der Körper und den diese Bewegung bewirkenden Kräften.1

Allerdings sind Kräfte nicht nur in der Mechanik ein zentrales Thema. Vielmehr lässt sich nahezu jedes physikalische Phänomen durch die Wirkung von Kräften erklären. Doch was sind Kräfte überhaupt und welche Kräfte gibt es? In dieser Erklärung lernst Du einige Beispiele für Kräfte (z. B. van der Waals Kräfte oder exogene Kräfte) kennen und erfährst mehr dazu, wie Du sie mittels Kräftezerlegung und Kräfteaddition in einem Kräfteparallelogramm berechnen kannst!

Physikalische Kräfte

Vermutlich kennst Du den Begriff Kraft bereits aus dem Alltag.

„Ich habe keine Kraft mehr.“

Damit sagst Du beispielsweise aus, dass Du etwas nicht mehr schaffst. Doch hast Du Dir mal Gedanken über dieses Wort gemacht? Wenn Du es in einem Lexikon nachschlägst, so wird „Kraft“ stets mit Stärke, Fähigkeit oder Wirksamkeit verbunden. Ursprünglich wurde damit sogar die Muskelanspannung gemeint und was kannst Du mit Deinen Muskeln tun?

Ganz genau: Sachen bewegen! Damit hast Du auch schon die physikalische Definition der Kraft:

Durch eine einwirkende Kraft kann der Bewegungszustand eines Körpers verändert werden.

Symbolisiert wird eine Kraft immer durch das Formelzeichen \(F\).

Weitere Informationen dazu findest Du in der Erklärung „Physikalische Kraft“. Außerdem lernst Du die Einheit der Kraft unter „Newton Einheit“ kennen.

Das bedeutet, dass Du einen Körper in Bewegung versetzen, seine Bewegungsrichtung ändern oder seine Bewegung stoppen kannst, wenn Du Kraft aufwendest. Du benötigst etwa Kraft, um ein Buch von Deinem Tisch zu heben und es in eine bestimmte Richtung – z. B. nach oben – zu bewegen. Je nachdem, wie viel das Buch wiegt, wendest Du dabei mehr oder weniger Kraft auf. Damit kannst Du zwei wichtige Eigenschaften der Kraft festhalten:

Eine Kraft hat stets eine Richtung, in die sie wirkt und einen Betrag, der die Größe der Kraft angibt.

Die Kraft ist also eine gerichtete Größe: Sie kann nach oben, unten, links, rechts und in jede andere Raumrichtung zeigen. In der Physik werden gerichtete Größen durch Pfeile – sogenannte Vektoren – dargestellt. Dabei erhält das entsprechende physikalische Symbol einen Pfeil über dem Zeichen.

Kräftezerlegung am Kräfteparallelogramm

Kräfte werden durch \(\vec{F}\) symbolisiert. Der entsprechende Vektorpfeil setzt dabei genau dort an, wo auch die Kraft ansetzt. Hängst Du etwa in einer Hängematte, so ist es genau die Mitte.

Die Vektordarstellung der Kraft ist bei Kraftpfeile genauer erklärt.

Die Hängematte hindert Dich daran, auf den Boden zu fallen und hebt Dich gewissermaßen hoch. Allerdings ist die Hängematte durch Seile an zwei Bäumen befestigt. Du wirst also nicht direkt durch eine Kraft \(\vec{F}\) nach oben gehoben, sondern über diese Seile zu den Bäumen gezogen. Damit verteilt sich die nach oben gerichtete Kraft auf die beiden Teilkräfte \(\vec{F}_1\) und \(\vec{F}_2\).

Eine Kraft kannst Du in mehrere Teilkräfte aufteilen, die in unterschiedliche Richtungen wirken. Dies bezeichnest Du als Kräftezerlegung.

Kräftezerlegung ist genau dann besonders praktisch, wenn sich eine Kraft aufteilt – also im Fall der Hängematte. Wie Du die Kraft zerlegst, zeigt Dir das jeweilige Kräfteparallelogramm.

Das Kräfteparallelogramm ist ein Hilfswerkzeug zur geometrischen Zerlegung einer Kraft in zwei Teilkräfte. Dabei gehst Du in folgenden Schritten vor:

  1. Du zeichnest die betrachtete Kraft \(\vec{F}\) maßstabsgetreu: je größer die Kraft, desto länger der Pfeil. Dann zeichnest Du die Linien ein, entlang der die beiden Teilkräfte wirken. Diese sollen dem Punkt entspringen, in dem auch die Ausgangskraft startet.
  2. Parallel zu diesen Wirkungslinien zeichnest Du jeweils eine Linie. Diese beiden Linien müssen sich an der Pfeilspitze der Ausgangskraft schneiden. Als Ergebnis erhältst Du ein Parallelogramm.
  3. Nun kannst Du die Teilkräfte \(\vec{F}_1\) und \(\vec{F}_2\) einzeichnen. Dazu setzt Du jeweils am Ursprung Deiner Ausgangskraft an und zeichnest die Pfeile bis zu den Schnittpunkten der Wirkungslinien.
  4. Die Pfeile der Teilkräfte kannst Du nun auf dem Parallelogramm verschieben.

Mit einem Kräfteparallelogramm kannst Du nicht nur Kräfte zerlegen, sondern auch aus zwei Kräften eine Gesamtkraft berechnen.

Kräfteaddition am Kräfteparallelogramm

Wirken mehrere Kräfte auf einen Körper, so überlagern sie sich zu einer Gesamtkraft. Dabei können die Kräfte unterschiedlich groß sein oder aus verschiedenen Richtungen wirken. Die Überlagerung erfolgt dabei nach dem Superpositionsprinzip.

Nach dem Superpositionsprinzip ergibt sich eine physikalische Größe als Addition ihrer Teilgrößen. Demnach ergibt sich die Gesamtkraft \(\vec{F}\) als Summe aller ihrer Teilkräfte \(\vec{F}_1,\; \vec{F}_2,\; ...\; \vec{F}_N\). Dabei ist \(N\) die Anzahl der Teilkräfte:

F=F1+F2+...+FN\vec{F}=\vec{F}_1+\vec{F}_2+...+\vec{F}_N

Grafisch kannst Du die Überlagerung von Kräften über die Addition der Kräftevektoren am Kräfteparallelogramm darstellen.

Möchtest Du zwei Kräfte grafisch addieren, so zeichnest Du zuerst den ersten Kraftvektor (\(\vec{F}_1\) oder \(\vec{F}_2\)). An die Pfeilspitze hängst Du dann den jeweils anderen Kraftvektor (\(\vec{F}_2\) oder \(\vec{F}_1\)) dran. Anschließend zeichnest Du die sich ergebende Gesamtkraft \(\vec{F}\) ausgehend vom Ursprung der zuerst eingezeichneten Teilkraft, bis hin zur Pfeilspitze der zuletzt eingezeichneten Teilkraft.

Die Orientierung der einzelnen Teilkräfte beeinflusst dabei sowohl die Orientierung als auch die Größe der resultierenden Gesamtkraft. Dies wird zum Beispiel im Kraftwandler (wie dem Hebel Physik oder Schiefe Ebene) ausgenutzt, um die benötigte Gesamtkraft zu minimieren, um etwas Schweres zu heben oder zu schieben.

Kräftegleichgewicht

Sind die beiden Teilkräfte gleich groß und wirken sie in genau entgegengesetzte Richtungen, so liegt ein Kräftegleichgewicht vor.

Im Kräftegleichgewicht ist die resultierende Gesamtkraft Null. Von außen wirkt es in diesem Fall so, als würde keine Kraft auf den Körper wirken.

Darauf stößt Du beispielsweise beim Tauziehen, wenn Dein und das gegnerische Team mit derselben Kraft in entgegengesetzte Richtungen ziehen.

Wenn Du das Kräftegleichgewicht grafisch darstellen möchtest, so müssen die Vektorpfeile unbedingt gleich lang sein!

Weil die beiden wirkenden Kräfte \(\vec{F}_1\) und \(\vec{F_2}\) gleich groß sind, gleichen sie einander aus. Insgesamt wirkt also keine Kraft auf das Seil und niemand kommt vom Fleck!

Physikalische Kräfte Wirkung

Damit bist Du bei der Wirkung von Kräften angekommen. Wenn beim Tauziehen ein Team fester am Seil zieht, als das andere Team, so bewegt sich das Seil zugunsten des stärkeren Teams. Die größere Kraft in eine bestimmte Richtung führt also zu einer Bewegung.

Auch zu der Wirkung von Kräften findest Du eine ausführliche Erklärung! Außerdem kannst Du näheres zu der Beziehung zwischen Ursache und Wirkung unter „Kausalität“ nachlesen.

Je fester das gegnerische Team zieht, desto anstrengender wird es auch für Dich. Deine Muskeln arbeiten also umso härter, je mehr Kraft Du aufwendest. Damit bist Du schon beim nächsten wichtigen Begriff der Mechanik angekommen – der mechanischen Arbeit.

Mechanische Arbeit, Energie und Leistung

Ist Dir schon mal aufgefallen, dass es immer anstrengender wird eine schwere Tasche zu tragen, je weiter Du sie trägst? Dies liegt daran, dass Du auf einem längeren Weg viel mehr Arbeit verrichtest, als über kurze Distanz.

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn Du über eine bestimmte Strecke eine Kraft aufwendest. Dabei wird mehr Arbeit verrichtet, je länger der Weg und je größer die Kraft ist.

Mehr dazu erfährst Du in der Erklärung „Mechanische Arbeit“.

Je mehr Arbeit Du verrichtest, desto mehr strengst Du Dich wiederum an. Dass es sich anstrengender anfühlt, mehr Arbeit zu verrichten, liegt daran, dass es Deinen Körper mehr Energie kostet.

Als Energie bezeichnest Du die Fähigkeit eines Systems – etwa Deines Körpers – Arbeit zu verrichten. Wird eine Arbeit verrichtet, so ändert sich die Energie um denselben Betrag.

Die verrichtete Arbeit ist also gleich der Energieänderung.

Wenn Du die schwere Tasche trägst, dann verrichtest Du Arbeit – Deine Energie sinkt dadurch. Je weiter Du die Tasche trägst, desto mehr Arbeit verrichtest Du auch und desto weniger Energie hast Du am Ende. Deine Energie sinkt dabei um denselben Betrag, wie die verrichtete Arbeit.

Weitere Beispiele, so wie alle möglichen Energieformen, findest Du in der Erklärung über Mechanische Energie.

Nun kommt es auch darauf an, wie schnell Du die Arbeit verrichtest: Wenn Du mit der Tasche rennst, so verrichtest Du viel kürzer Arbeit, als wenn Du im gemütlichen Tempo gehst. Dieses „Arbeitstempo“ wird durch die Mechanische Leistung angegeben.

Welche Arbeit in einer bestimmten Zeit verrichtet wird, wird durch die Mechanische Leistung angegeben. Berechnen kannst Du die Leistung als Arbeit geteilt durch Zeit.

Schau doch in der Erklärung über Mechanische Leistung vorbei, wenn Du Dich näher für dieses Thema interessierst!

Verrichtest Du schnell Arbeit, so entspricht dies einer höheren Leistung. Außerdem steigt die Leistung, je mehr Kraft Du aufwendest. Dies ist allerdings nicht die einzige Wirkung, die physikalische Kräfte haben.

Impuls Physik

Schau Dir noch einmal die Definition der physikalischen Kraft an:

Durch eine einwirkende Kraft kann der Bewegungszustand eines Körpers verändert werden.

Dabei ist mit „Bewegungszustand“ jegliche Form der Bewegung gemeint: Der Körper kann entweder ganz in Ruhe sein oder sich im Raum bewegen. Welche Bewegung der Körper ausführt, wird durch seinen Impuls bestimmt. Dieser kann durch eine, von außen wirkende, Kraft verändert werden.

Der Impuls eines Körpers gibt an, wie sich der Körper bewegt. Eine Impulsänderung innerhalb einer bestimmten Zeit wird stets durch eine Kraft verursacht.

Eine ausführliche Erklärung dazu findest Du unter „Impuls Physik“.

Wenn Du etwa das Buch von Deinem Tisch hebst, dann setzt Du es in Bewegung und der Impuls ändert sich. Dies nennst Du auch Beschleunigung.

Newtonsche Gesetze

Dass ein Körper durch äußere Kräfte beschleunigt werden kann, erkannte auch Isaac Newton. Nach seiner weltberühmten Begegnung mit einem fallenden Apfel formulierte er die drei Newtonschen Gesetze:

1. Trägheitsgesetz:

Ein Körper ändert erst dann seinen Bewegungszustand, wenn eine äußere Kraft auf ihn wirkt.

2. Aktionsprinzip (Newtonsches Grundgesetz):

Um einen Körper der Masse \(m\) um den Wert \(a\) zu beschleunigen, wird die Kraft \(F\) benötigt. Diese ergibt sich gemäß:

F=m·a\vec{F}=m\cdot \vec{a}

Da der Körper stets in eine bestimmte Richtung beschleunigt werden kann, ist auch die Beschleunigung \(\vec{a}\) eine vektorielle Größe.

3. Reaktionsprinzip (Wechselwirkungsgesetz):

Übt ein Körper auf einen zweiten Körper eine Kraft \(F_A\) aus, so übt auch der zweite Körper eine gleich große Kraft \(F_B\) auf den ersten Körper aus:

FA=-FB\vec{F}_A=-\vec{F}_B

Das negative Vorzeichen ergibt sich dabei daraus, dass die beiden Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind.

Allgemein wird dieses Thema unter „Newtonsche Gesetze“ erklärt. Zum Trägheitsgesetz, Newtonsches Grundgesetz und Wechselwirkungsgesetz findest Du zudem noch jeweils eine ausführliche Erklärung.

Neben seinen Gesetzen, die ihrer Zeit die Physik revolutionierten und neue Teilgebiete der Physik und der Mathematik eröffneten, entdeckte Newton gleichzeitig eine der wichtigsten Kräfte – die Gravitationskraft.

Physikalische Kräfte Beispiele

Es gibt insgesamt vier Kräfte, über die Körper miteinander wechselwirken können. Diese bezeichnest Du als Grundkräfte oder fundamentale Wechselwirkungen.

Zu den vier Grundkräften zählen:

  • Gravitation
  • Elektromagnetische Kraft
  • Starke Wechselwirkung
  • Schwache Wechselwirkung

Starke und schwache Wechselwirkung sind für die Bildung der kleinsten Teilchen – der Elementarteilchen – verantwortlich und erklären Kernzerfälle. Auf die elektromagnetische Kraft triffst Du wiederum in der Elektrizitätslehre, die sich mit geladenen Teilchen beschäftigt. In der Mechanik allerdings hat die Gravitationskraft eine entscheidende Bedeutung.

Gewichtskraft und Gravitationskraft

Als Ursache dafür, dass der Apfel vom Baum fiel, beschrieb Newton die Gravitationskraft.

Jeder massereiche Körper übt auf andere Objekte in seiner unmittelbaren Umgebung eine Anziehungskraft aus. Diese Anziehungskraft heißt Gravitationskraft. Sie ist größer, je höher die Masse des Körpers ist und nimmt mit der Entfernung ab.

Hauptsächlich wird die Gravitationskraft mit sehr schweren Objekten des Universums verbunden. Sie ist die Ursache dafür, weshalb alle Planeten des Sonnensystems um die Sonne herum kreisen. Außerdem sorgt die Anziehungskraft der Erde (Erdanziehungskraft) dafür, dass das Buch auf dem Tisch liegen bleibt.

Auch viel leichtere Objekte – unter anderem auch Du – üben eine Gravitationskraft auf andere Objekte in unmittelbarer Umgebung aus. Allerdings ist diese so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Mehr dazu kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen!

Häufig wird die Gravitationskraft jedoch mit der Gewichtskraft eines Körpers verwechselt.

Die Gravitationskraft wirkt auf einen Körper und wird durch einen viel schwereren Körper verursacht. Dabei wird der leichtere Körper zum Massezentrum – etwa dem Erdmittelpunkt – hingezogen.

Die Gewichtskraft wird hingegen von einem Körper auf eine entsprechende Fläche ausgeübt. Die Ursache dafür ist die Masse des Körpers, die von einem viel schwereren Objekt durch die Gravitationskraft angezogen wird.

Den genauen Unterschied kannst Du unter Gewichtskraft und Gravitationskraft nachlesen. Durch seine Gewichtskraft übt ein Körper einen Auflagedruck auf eine Fläche aus. Auch dazu findest Du eine ausführliche Erklärung!

Also ist die Gewichtskraft die Kraft, die ein Körper auf eine Fläche im Wirkungsbereich der Gravitationskraft eines sehr schweren Objekts – z. B. der Erde – ausübt. Die Erde selbst wird allerdings durch ganz andere Kräfte geformt.

Exogene Kräfte und Endogene Kräfte

Die Erdoberfläche wird einerseits durch Kräfte geformt, die Gebirge bilden und Plattenbewegungen verursachen. Diese Kräfte kommen aus dem Inneren der Erde. Andererseits wirken auch äußere Kräfte auf die Erdoberfläche, die diese durch Wind und Witterung formen. Je nachdem, ob es sich dabei um eine äußere Kraft oder um eine Kraft aus dem Inneren heraus handelt, entscheidest Du zwischen exogener und endogener Kraft.

Kräfte, die dem Erdinneren entspringen, heißen endogene Kräfte. Exogene Kräfte wirken wiederum von Außen auf die Erdoberfläche.

Kräfte herrschen allerdings nicht nur zwischen großen und schweren Objekten. Sie existieren auch in der mikroskopischen Welt.

Van der Waals Kräfte

Während Atome und Moleküle durch elektrische Anziehung oder Abstoßung zusammengehalten werden, verbinden sich Moleküle untereinander durch van der Waals Kräfte.

Van der Waals Kräfte können zwischen elektrisch neutralen Teilchen entstehen, wenn sich diese nahe genug kommen.

Verursacht werden van der Waals Kräfte durch permanente oder temporäre Dipole, die in der Elektronenhülle der Teilchen entstehen. Allerdings zählen diese Kräfte nicht zu mechanischen Kräften. Weitere Beispiele für mechanische Kräfte sind wiederum die Federkraft (mehr dazu bei „Federkonstante“), bei Drehbewegungen das Drehmoment (zu finden bei „Rotationsenergie“ und „Drehmoment“) und Reibung.

Kräfte berechnen

Hast Du schon mal versucht, eine schwere Kiste am Boden lang zu schieben? Vermutlich ist Dir dabei aufgefallen, dass Du am Anfang mehr Kraft aufwenden musst, um die Kiste in Bewegung zu setzen. Sobald die Kiste dann über den Boden gleitet, fällt der Schiebevorgang viel leichter.

Die Bewegung zweier Körper gegeneinander wird durch die Reibung erschwert.

Dabei wird zwischen unterschiedlichen Formen der Reibung unterschieden. Rollreibung ist dabei geringer als die Gleitreibung und Gleitreibung ist geringer als Haftreibung. Was es damit genau auf sich hat, kannst Du in der Erklärung zur Reibung nachlesen!

Reibung besteht überall, wo zwei Flächen gegeneinander reiben. Manchmal ist sie sogar erwünscht, wenn ein Objekt beispielsweise an einer Oberfläche haften soll – nicht jedoch in Maschinen oder Motoren. Hier sorgt Reibung dafür, dass nicht die gesamte aufgewandte Energie in Arbeit umgewandelt werden kann – ein Teil dieser Energie wird nämlich verwendet, um die Reibungskraft auszugleichen.

In diesem Fall sprichst Du davon, dass der Wirkungsgrad der Maschine vermindert wird. Was das genau ist, kannst Du unter Wirkungsgrad nachlesen.

Die Reibung wird dabei durch die Beschaffenheit der Flächen verursacht, die einander berühren: Keine Fläche ist nämlich vollkommen glatt. In diesen mikroskopischen Unebenheiten können die Flächen gegenseitig verhaken, wenn sie sich gegeneinander bewegen.

Das „Verhaken“ verursacht eine Kraft – die Reibungskraft \(\vec{F}_R\), die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt. Dadurch muss insgesamt eine höhere Kraft \(\vec{F}\) aufgewendet werden, um diese Oberflächen gegeneinander zu schieben.

Aufgabe:

Auf einem Holzboden steht eine Kiste der Masse \(m=2\; kg\). Diese möchtest Du nun verschieben.

a) Berechne, welche Kraft Du aufwenden musst, um die Kiste in Bewegung zu setzen. Die dabei wirkende Reibungskraft entspricht \(F_{R,H}=9,81\; N\) (Haftreibung).

b) Bestimme, mit welcher Kraft Du die Kiste schieben musst, sobald sie in Bewegung ist. Die dabei wirkende Reibungskraft ist die Gleitreibung \(F_{R,G}=3,92\;N\).

c) Erkläre Deine Ergebnisse aus a) und b).

Gehe bei a) und b) davon aus, dass die Haft- und die Gleitreibung die einzigen Kräfte sind, die entgegen Deiner Kraft wirken.

Lösung:

a) Um die Kiste in Bewegung zu setzen, muss lediglich die Haftreibung überwunden werden. Dementsprechend benötigst Du mindestens die Kraft \(F\), die durch \(F_{R,H}\) vorgegeben ist:

\begin{align}F &\geq F_{R,H}\\ \\F&\geq 9,81\;N\end{align}

Bei gleichem Wert setzt sich die Kiste gerade so in Bewegung. Wendest Du hingegen mehr Kraft auf, so gibst Du der Kiste noch zusätzliche Beschleunigung mit.

b) Sobald die Kiste in Bewegung ist, muss lediglich die Gleitreibung überwunden werden. Das bedeutet, dass Du zum Schieben Kraft \(F\) benötigst, die mindestens so groß ist, wie der Betrag der Gleitreibungskraft \(F_{R,G}\):

\begin{align}F &\geq F_{R,G}\\ \\F&\geq 3,92\;N\end{align}

Schiebst Du mit größerer Kraft, dann beschleunigst Du die Kiste zusätzlich. Sie wird also schneller.

c) Sobald die Kiste bereits in Bewegung ist, benötigst Du weniger Kraft, um sie zu schieben. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die beiden aneinander grenzenden Flächen nicht so gut verhaken können, wenn sie sich gegeneinander bewegen. Dementsprechend ist auch die Gleitreibung kleiner ist als die Haftreibung.

Ob in der Hängematte, beim Tauziehen oder Tasche Tragen: Kräften begegnest Du also überall in Deinem Alltag – nicht nur im Physikunterricht!

Kräfte Physik – Das Wichtigste

  • Eine Kraft hat eine Richtung, einen Betrag und wird durch das Formelzeichen \(F\) symbolisiert.
  • Mit einem Kräfteparallelogramm kannst Du eine Kraft in mehrere Teilkräfte aufteilen (Kräftezerlegung).
  • Die Gesamtkraft kann als Addition aller wirkenden Teilkräfte berechnet werden.
  • Im Kräftegleichgewicht ist die resultierende Gesamtkraft Null.
  • Durch eine Kraft kann der Bewegungszustand eines Körpers verändert werden.
    • Dabei gelten die Newtonschen Gesetze.
    • Eine Impulsänderung innerhalb einer bestimmten Zeit wird stets durch eine Kraft verursacht.
    • Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn über eine bestimmte Strecke eine Kraft aufwendest.
    • Wird eine Arbeit verrichtet, so ändert sich die Energie um denselben Betrag.
    • Welche Arbeit in einer bestimmten Zeit verrichtet wird, wird durch die mechanische Leistung angegeben.
  • Es gibt vier Grundkräfte: Gravitation, Elektromagnetische Kraft, starke und schwache Wechselwirkung.
  • Weitere Beispiele für Kräfte sind: endogene Kräfte, exogene Kräfte, van der Waals Kräfte, Reibungskräfte, Federkraft.

Nachweise

  1. dwds.de: Mechanik. (14.10.2022)
  2. dwds.de: Kraft. (14.10.2022)
  3. maschinenbau-wissen.de: Kräftezerlegung. (14.10.2022)
  4. grund-wissen.de: Mechanische Leistung. (14.10.2022)
  5. chemie.de: Van-der-Waals-Kräfte. (15.10.2022)
  6. steine-und-minerale.de: Endogene Kräfte - Exogene Kräfte. (15.10.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kräfte

Die vier fundamentalen Kräfte der Physik sind:

  • Gravitation
  • Elektromagnetische Kraft
  • Starke Wechselwirkung
  • Schwache Wechselwirkung

Kräfte haben stets eine Richtung, in die sie wirken und einen Betrag. Grafisch werden sie durch Vektorpfeile dargestellt.

Einige Beispiele für mechanische Kräfte sind: Gravitationskraft, Gewichtskraft, Reibungskraft und Federkraft.

Endogene Kräfte sind Kräfte, die aus dem Erdinneren wirken. Dazu zählen Kräfte, die für Plattenbewegungen, Bildung von Gebirgen und Vulkanismus verantwortlich sind.

Finales Kräfte Quiz

Frage

Nenne das Hilfsmittel, mit dem Du zwei Kräfte zu einer Gesamtkraft addieren oder eine Gesamtkraft in ihre Teilkräfte zerlegen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Kräfteparallelogramm

Frage anzeigen

Frage

Gib alle Kräfte an, die nicht zu den vier Grundkräften gehören.

Antwort anzeigen

Antwort

Reibungskraft

Frage anzeigen

Frage

Benenne die drei Newtonschen Gesetze.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Trägheitsprinzip
  2. Aktionsprinzip
  3. Reaktionsprinzip

Frage anzeigen

Frage

Um einen Körper der Masse \(m\) um den Wert \(a\) zu beschleunigen, wird eine Kraft \(F\) benötigt:

$$\vec{F}=m\cdot \vec{a}$$


Gib den Namen dieses Gesetzes an!

Antwort anzeigen

Antwort

Zweites Newtonsches Gesetz (auch: Grundgesetz, Aktionsprinzip)

Frage anzeigen

Frage

Definiere den Begriff Kraft und nenne die Komponenten, mit denen Du eine Kraft beschreiben kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Durch eine einwirkende Kraft \(F\) kann der Bewegungszustand eines Körpers verändert werden. Sie hat eine Richtung, in die sie wirkt und einen Betrag, der die Größe der Kraft angibt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre die Vorgehensweise, mit der Du ein Kräfteparallelogramm erstellen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Die Gesamtkraft und die Wirkungslinien der beiden Teilkräfte vom selben Startpunkt aus zeichnen.
  2. Parallel zu den Wirkungslinien zeichnest Du jeweils eine Linie. Als Ergebnis erhältst Du ein Parallelogramm.
  3. In das Parallelogramm kannst Du die Teilkräfte einzeichnen. Dabei gehst Du vom Ursprung Deiner Ausgangskraft aus und zeichnest die Pfeile bis zu den Schnittpunkten der Wirkungslinien.
  4. Die Pfeile der Teilkräfte kannst Du nun auf dem Parallelogramm verschieben.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie ein Kräftegleichgewicht entsteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn gleich große Teilkräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken, so ist die resultierende Gesamtkraft Null. In diesem Fall sprichst Du vom Kräftegleichgewicht.

Frage anzeigen

Frage

Begründe, warum die verrichtete Arbeit steigt, je länger der Weg ist, auf dem Du Kraft aufwendest.

Antwort anzeigen

Antwort

Definitionsgemäß ist Arbeit proportional zur zurückgelegten Strecke und aufgewandter Kraft.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere den Zusammenhang zwischen Energie und Arbeit.

Antwort anzeigen

Antwort

Die verrichtete Arbeit entspricht der Energieänderung.

Frage anzeigen

Frage

Ein Körper bewegt sich mit einem bestimmten Impuls. Mittendrin ändert sich der Impuls.

Interpretiere, was die Impulsänderung verursachen könnte.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Impulsänderung innerhalb einer bestimmten Zeit wird stets durch eine Kraft verursacht. Deswegen müsste eine Kraft von außen gewirkt haben, um die Impulsänderung zu verursachen.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere den Unterschied zwischen Gewichtskraft und Gravitationskraft.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gravitationskraft wirkt auf einen Körper und wird durch einen viel schwereren Körper verursacht. 


Die Gewichtskraft wird hingegen von einem Körper auf eine entsprechende Fläche ausgeübt und wird durch die Gravitationskraft verursacht.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Gleitreibung mit Haftreibung.

Antwort anzeigen

Antwort

Gleitreibung hat einen kleineren Betrag als die Haftreibung, da beim Gleiten die Oberflächen weniger Zeit haben, ineinander zu verhaken.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe das Superpositionsprinzip.

Antwort anzeigen

Antwort

Nach dem Superpositionsprinzip ergibt sich die Gesamtkraft \(\vec{F}\) als Vektorsumme aller ihrer \(N\) Teilkräfte \(\vec{F}_1,\; \vec{F}_2,\; ...\; \vec{F}_N\):

$$\vec{F}=\vec{F}_1+\vec{F}_2+...+\vec{F}_N $$

Frage anzeigen

Frage

Benenne die physikalischen Größen und Konstanten, welche zur Berechnung der Gravitationskraft notwendig sind.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Gravitationskonstante G
  • Massen m der betrachteten Körper
  • Abstand r der betrachteten Körper

Frage anzeigen

Frage

Welche der folgenden Aussagen des Zusammenhangs von Gravitations- und Gewichtskraft ist wahr?

Antwort anzeigen

Antwort

Es besteht kein Zusammenhang.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie die Gravitationskraft wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

anziehend

Frage anzeigen

Frage

Ist der Ortsfaktor g überall gleich?

Antwort anzeigen

Antwort

ja

Frage anzeigen

Frage

Welchen Einfluss hat die Gravitation eines Menschen auf die Erde?

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Antwort

keinen bzw. einen sehr geringen

Frage anzeigen

Frage

Welche Einheit der Arbeit wird meistens benutzt, wenn man von mechanischer Arbeit spricht?

Antwort anzeigen

Antwort

J "Joule"

Frage anzeigen

Frage

Welche Formulierung verwendet man im Zusammenhang mit der Arbeit?

"Arbeit wird an einem Körper ... ."

Antwort anzeigen

Antwort

verrichtet

Frage anzeigen

Frage

Vollende den folgenden Satz.

"Arbeit ist physikalisch im Allgemeinen ... ."

Antwort anzeigen

Antwort

eine Änderung der Energie

Frage anzeigen

Frage

Welcher Merksatz gilt für die allgemeine mechanische Arbeit?

Antwort anzeigen

Antwort

"Arbeit ist Kraft mal Weg"

Frage anzeigen

Frage

Wie hängt die Arbeit von der Kraft bzw. der zurückgelegten Strecke ab?

"Die verrichtete Arbeit ist ... ."

Antwort anzeigen

Antwort

proportional zur Kraft

Frage anzeigen

Frage

Ist es bei der Betrachtung einer Aufgabe zur Berechnung der mechanischen Arbeit wichtig, ob die wirkende Kraft und die resultierende Strecke gleichgerichtet sind?

Antwort anzeigen

Antwort

ja

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, welche der folgenden Aussagen zur grafischen Bestimmung der mechanischen Arbeit wahr ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Im Kraft-Weg-Diagramm ist die mechanische Arbeit die Fläche unter der Kraft aufgespannt über ein Wegstück.

Frage anzeigen

Frage

Gib die vier verschiedenen Arten mechanischer Arbeit mit je einem kurzen Beispiel an.

Benenne die Kräfte, welche man bei diesen Arten der mechanischen Arbeit aufwenden bzw. überwinden muss.

Antwort anzeigen

Antwort

Hubarbeit: das Hochheben einer Kiste

zu überwindende Kraft: Gewichtskraft der Kiste


Reibungsarbeit: das Verschieben einer Kiste

zu überwindende Kraft: Reibungskraft der Kiste auf dem Untergrund während der Bewegung


Federspannarbeit (Verformungsarbeit): Spannen einer Feder

zu überwindende Kraft: Feder(spann)kraft der Feder


Beschleunigungsarbeit: Beschleunigen / Bremsen eines Autos

aufzuwendende Kraft: Beschleunigungskraft am Auto

Frage anzeigen

Frage

Ordne jedem der folgenden Beispiele (mindestens) eine Art der mechanischen Arbeit zu.

  1. ​ein Fahrrad rollt einen Berg hinunter
  2. Treppensteigen
  3. Ball rollt über einen Rasen
  4. Auto fährt mit gleichbleibender Geschwindigkeit
  5. Kokosnuss wird mit elastischem Netz aufgefangen

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Beschleunigungsarbeit (und Reibungsarbeit) durch Gewichtskraft
  2. Hubarbeit
  3. Beschleunigungs- / Reibungsarbeit aufgrund Reibung
  4. Reibungsarbeit (Luftreibung, Reibung der Reifen auf Straße), und dagegen steuernd Beschleunigungsarbeit
  5. erst Beschleunigungsarbeit durch Gewichtskraft, dann Verformungs(Feder)arbeit mit elastischem Netz

Frage anzeigen

Frage

Ordne den verrichteten mechanischen Arbeiten eine Bezeichnung mit Vorzeichen zu. Betrachte dabei das folgende Szenario:

  1. Ein Kran hebt eine Stahlkugel in die Luft.
  2. Die Kugel wird fallen gelassen.
  3. ​Sie landet auf einer Feder.
  4. Sie springt von der Feder ab.
  5. Sie fällt auf eine Holzbank und zerbricht diese.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Kran verrichtet positive Hubarbeit an der Kugel
  2. Gewichtskraft verrichtet positive Beschleunigungsarbeit an der Kugel, die zuvor verrichtete Hubarbeit wird in Beschleunigungsarbeit gewandelt
  3. Kugel verrichtet positive Federarbeit an der Feder, Feder verrichtet negative Beschleunigungsarbeit an der Kugel
  4. Feder verrichtet positive Beschleunigungs- und Hubarbeit an der Kugel
  5. Kugel verrichtet Verformungsarbeit an der Holzbank

Frage anzeigen

Frage

Als langsame Variante welches Versuches wird die schiefe Ebene verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die schiefe Ebene funktioniert wie ein verlangsamter freier Fall. Der Körper bewegt sich durch die Erdbeschleunigung. Durch die Zerlegung der Kräfte bewegt er sich aber langsamer als beim Fallen.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird ein möglichst geringer Reibungswiderstand gewährleistet?

Antwort anzeigen

Antwort

​An der schiefen Ebene werden meist Kugeln oder Zylinder verwendet, die diese hinunterrollen können. Wenn vorhanden kann auch eine Luftschiene genutzt werden, auf der sich ein Gleiter nahezu reibungsfrei bewegt.

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Frage

​Aufgrund welcher Kraft wird der Körper auf der schiefen Ebene beschleunigt?

Antwort anzeigen

Antwort

Für die Beschleunigung des Körpers sorgt dessen Gewichtskraft. 

Frage anzeigen

Frage

Wie unterscheiden sich die Zeiten, die auf dem direkten Weg senkrecht nach unten und an einer schiefen Ebene gemessen werden?

Antwort anzeigen

Antwort

​An der schiefen Ebene benötigt ein Körper eine deutlich längere Zeit, bis er am Boden ankommt.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Teil der Gewichtskraft, der in Bewegungsrichtung wirkt, auch genannt?

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Antwort

Der beschleunigende Teil der Gewichtskraft heißt Hangabtriebskraft. Diese wirkt parallel zur schiefen Ebene und damit in Bewegungsrichtung.

Frage anzeigen

Frage

Wovon hängt die Größe der Hangabtriebskraft ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Hangabtriebskraft hängt einerseits von der Gewichtskraft des Körpers und andererseits vom Winkel der Ebene ab.

Frage anzeigen

Frage

Welche Messwerte musst du aufnehmen, um mithilfe der schiefen Ebene die Erdbeschleunigung g zu bestimmen?


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Antwort

Um g bestimmen zu können, solltest du den Winkel deiner Ebene und die Strecke, die der Körper zurücklegt kennen. Außerdem solltest du am besten verschiedene Messwerte für unterschiedliche Ausgangsbedingungen bestimmen.

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Frage

Wie wird die schiefe Ebene im Alltag genutzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Im Alltag wird die schiefe Ebene genutzt, um schwere Lasten leichter vertikal transportieren zu können. Die schiefe Ebene teilt die wirkende Gewichtskraft auf, sodass eine deutlich geringere Vertikale Kraft aufgewendet werden muss, also eine geringere Kraft nach oben. Das hilft in vielen Situationen, da wir zum Beispiel schwere Möbelstücke besser schieben als heben können.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Form der Arbeit gehört die Hubarbeit an?

Antwort anzeigen

Antwort

mechanische Arbeit

Frage anzeigen

Frage

Welche Kraft wirkt dir beim Heben eines Körpers allgemein entgegen?

Antwort anzeigen

Antwort

Gewichtskraft

Frage anzeigen

Frage

Muss beim Heben eines Körpers die Hubkraft kleiner oder größer der Gewichtskraft sein?

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Antwort

Hubkraft < Gewichtkraft

Frage anzeigen

Frage

Welche Einheit wird für die Hubarbeit verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Nm (Newtonmeter), selten auch J (Joule)

Frage anzeigen

Frage

Wie hängt die verrichtete Hubarbeit an einem Körper von dessen Masse und der zurückgelegten Strecke ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Hubarbeit ist proportional abhängig von der gehobenen Masse

Frage anzeigen

Frage

Wie verändert sich die verrichtete Hubarbeit an einem Körper, wenn die Masse des Körpers halbiert und gleichzeitig die zurückgelegte Strecke verdoppelt wird?

Antwort anzeigen

Antwort

keine Veränderung der Hubarbeit

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet der Merksatz zur mechanischen Arbeit?

Antwort anzeigen

Antwort

Arbeit ist Kraft mal Weg

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Frage

Der Merksatz der mechanischen Arbeit lautet Arbeit ist Kraft mal Weg.
Wie wird die Kraft und der Weg bei der Hubarbeit allgemein genannt?

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Die Kraft ist die Gewichtskraft.

Der Weg ist die Hubhöhe.

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Wie lautet die goldene Regel der Mechanik im Zusammenhang mit der mechanischen Arbeit?

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Was du an Kraft sparst, musst du an Weg zusetzen, wobei die verrichtete mechanische Arbeit gleich bleibt.

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Eine verrichtete Arbeit bedeutet gleichzeitig auch immer eine Änderung der Energie. Welche Energie wird beim Verrichten der Hubarbeit verändert?

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potentielle Energie

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Gehört die Verformungsarbeit zu den mechanischen Arbeiten?

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ja

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Benenne die beiden grundsätzlichen Arten einer Verformung.

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elastische Verformung und plastische Verformung

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Beschreibe anhand eines Beispiels die plastische Verformung.

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Beispiel: Autounfall

Das Auto prallt gegen einen Gegenstand, wodurch Teile des Autos verformt werden. Die beschädigten Teile gehen dabei nach dem Aufprall nicht von allein in ihre Ausgangsform zurück. Diese Verformung wird plastische Verformung genannt.

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Beschreibe anhand eines Beispiels die elastische Verformung.

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Beispiel: Spannen einer Feder

Wird eine Feder gespannt und dadurch verformt, kehrt diese von allein in deren Ausgangsform zurück. Die Feder darf dabei nicht zu sehr gespannt werden. Die Verformung wird elastische Verformung genannt.

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