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Kräfte Physik

Du stehst vor der Herausforderung, das Thema Kräfte Physik zu verstehen? In diesem Artikel erhältst du eine umfassende Einführung in die Welt der physikalischen Kräfte. Wichtige Definitionen und Modelle werden einfach erklärt, sodass du in der Lage sein wirst, Grundkonzepte wie elektrische und Dipol-Dipol-Kräfte, exogene und endogene Kräfte sowie die…

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Kräfte Physik

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Du stehst vor der Herausforderung, das Thema Kräfte Physik zu verstehen? In diesem Artikel erhältst du eine umfassende Einführung in die Welt der physikalischen Kräfte. Wichtige Definitionen und Modelle werden einfach erklärt, sodass du in der Lage sein wirst, Grundkonzepte wie elektrische und Dipol-Dipol-Kräfte, exogene und endogene Kräfte sowie die Van Der Waals Kräfte zu verstehen. Zudem erfährst du, wie du Kräfte berechnen und anwenden kannst. Betrete die fesselnde Welt der Kräfte Physik und erweitere dein Wissen auf diesem anspruchsvollen Gebiet.

Einführung in die Kräfte Physik: Grundlagen und Definitionen

Immer wenn du einen Gegenstand bewegst, eine Tür öffnest, oder sogar wenn du atmest, sind physikalische Kräfte am Werk. Sie sind überall um dich herum und innerhalb von dir, und bestimmen, wie die Dinge sich im Universum bewegen und interagieren. Bei der Betrachtung von Kräften unterscheidet man grundsätzlich zwischen Kontaktkräften und Fernkräften.
Kontaktkräfte Fernkräfte
  • Reibung
  • Auflagekräfte
  • Zug- und Druckkräfte
  • Schwerkraft
  • Elektromagnetismus
  • Kernkräfte

Was sind physikalische Kräfte?

Eine Physikalische Kraft ist eine Wechselwirkung zwischen Körpern, die deren Bewegungszustand verändern oder verformen kann. Die Regeln, denen Kräfte folgen, sind in den Newtonschen Gesetzen festgelegt.

Ein Beispiel für eine Physikalische Kraft ist die Schwerkraft. Sie zieht Körper mit Masse zueinander und ist dafür verantwortlich, dass wir auf der Erde festgehalten werden. Ohne Schwerkraft würden wir ins All fliegen.

Die Rolle der Kräfte in der Physik

Kräfte sind essenziell für das Verständnis der Physik. Sie sind die Grundlage für die Bewegung und Interaktion von Teilchen und Körpern. Ohne Kräfte gäbe es keine Bewegung und keine Veränderung in der Welt. Sie bestimmmen das dynamische Zusammenspiel von Materie und Energie und sind damit zentrale Elemente sowohl in der klassischen Mechanik als auch in der Quantenmechanik und Relativitätstheorie.

Kräfte einfach erklärt: Verständliche Theorien und Modelle

Ein einfaches Modell, um Kräfte zu beschreiben, ist das Kraftpfeil-Modell. Stell dir vor, du ziehst an einem Seil. Die Richtung und Stärke deiner Kraft kannst du als Pfeil darstellen: die Pfeilspitze zeigt die Richtung an und die Länge des Pfeils entspricht der Stärke der Kraft. Zieht jemand mit dir zusammen am Seil, könnt ihr die Pfeile addieren und gemeinsam eine größere Kraft erzeugen.

Elektrische Kräfte vs. Dipol-Dipol-Kräfte: Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Elektrische Kräfte und Dipol-Dipol-Kräfte sind zwei grundlegende Arten von Kräften in der Chemie und Physik.

Elektrische Kräfte treten auf, wenn geladene Körper voneinander angezogen oder abgestoßen werden. Sie folgen dem Coulombschen Gesetz: \[ F = k \frac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2} \] Dipol-Dipol-Kräfte sind Wechselwirkungen zwischen Molekülen, die aufgrund ungleichmäßiger Ladungsverteilung ein elektrisches Dipolmoment besitzen. Diese entstehen wenn die negativen Elektronenwolken zweier benachbarter Moleküle einander abstoßen oder wenn ein positiviertes Atom eines Moleküls das negative Ende eines anderen Moleküls anzieht.

Exogene und Endogene Kräfte: Einbindung in das Kräftekonzept der Physik

Die Begriffe 'exogen' und 'endogen' werden oft in Geowissenschaften verwendet, um die Herkunft von Kräften zu beschreiben, die auf die Erdoberfläche wirken. Exogene Kräfte wirken von außen auf die Erde ein, wie z.B. die Erosion durch Wasser, Wind oder Gletscher. Endogene Kräfte dagegen kommen aus dem Inneren der Erde, wie z.B. der Druck beim Aufstieg von Magma oder die tektonischen Kräfte bei der Bewegung von Erdplatten. Beide Arten von Kräften wirken zusammen und formen so die Landschaften unserer Erde.

Während in der Physik eher selten von exogenen oder endogenen Kräften die Rede ist, ist es einleuchtend, diese Begriffe auf physikalische Systeme zu übertragen. So könnte man von endogenen Kräften sprechen, wenn die Kräfte aus dem System selbst hervorgehen, wie etwa die Bindungskräfte in einem Atom. Exogene Kräfte wären dann solche, die von außerhalb des Systems auf dieses einwirken, wie z.B. eine äußere Kraft, die auf einen Körper wirkt.

Van Der Waals Kräfte in der Physik: Ein Ausblick

Obwohl Van Der Waals Kräfte oft als schwache Kräfte bezeichnet werden, spielen sie in der Physik und Chemie eine wesentliche Rolle. Finde mit uns heraus, warum!

Definition und Bedeutung der Van Der Waals Kräfte

Die Van Der Waals Kräfte sind benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals, der ihre Existenz postulierte um festzustellen, warum Gase sich nicht exakt wie "ideale Gase" verhalten.

Die Van Der Waals Kräfte sind eine Gruppe schwacher intermolekularer Kräfte, die zwischen Molekülen oder innerhalb größerer Moleküle wirken. Sie sind ein Spezialfall der London-Kräfte und bestehen hauptsächlich aus Anziehungskräften, die durch zufällige Fluktuationen der Elektronenverteilung in den Molekülen zustande kommen.

Ein Alltagsbeispiel für Van Der Waals Kräfte ist die Adhäsion von Flüssigkeiten an Oberflächen. Warum haftet zum Beispiel Wasser an der Innenseite eines Glases? Das liegt an den Van Der Waals Kräften zwischen den Wassermolekülen und den Molekülen der Glasoberfläche.

Die Van Der Waals Kräfte sind von größerer Bedeutung, als ihr Ruf als "schwache Kräfte" vermuten lässt. Sie spielen eine wichtige Rolle in vielen Prozessen und Phänomenen der Physik und Chemie, wie zum Beispiel:
  • Der Bindung von Molekülen in Flüssigkeiten und Feststoffen
  • Der Löslichkeit von Stoffen
  • Der Adsorption von Atomen und Molekülen an Oberflächen
  • Der Stabilität von Proteinen und DNA in der Biologie

Die Rolle der Van Der Waals Kräfte innerhalb der Kräfte Physik

In der Kräfte Physik sind die Van Der Waals Kräfte unabdingbare Komponenten des Kraftspektrums. In der makroskopischen Welt, wie wir sie im Alltag wahrnehmen, mögen sie oft unsichtbar sein, doch auf molekularer Ebene sind ihre Auswirkungen tiefgreifend und allgegenwärtig. Während Kräfte wie die Gravitationskraft oder elektromagnetische Kräfte oft das "große Bild" unseres Universums prägen, sind es Kräfte wie die Van Der Waals Kräfte, die die "kleinen Details" regeln und damit fundamentale Bedeutung für die Physik und Chemie aller Materialien haben.

Ein aussergewöhnliches Beispiel für die Bedeutung der Van Der Waals Kräfte ist die Fähigkeit von Geckos, an Wänden und Decken zu haften. Ihre spezialisierten Fußpolster sind mit Millionen winziger Haare bedeckt, die es ihnen ermöglichen, auf nahezu jeder Oberfläche zu haften. Das Geheimnis dahinter sind die Van Der Waals Kräfte. Jedes dieser winzigen Härchen kann mit der Kontaktfläche interagieren und die schwachen Anziehungskräfte ausnutzen, um eine erhebliche Gesamthaftkraft zu erzeugen.

Ferner sind die Van Der Waals Kräfte fundamental für die Strukturbiologie, da sie bestimmen, wie sich Moleküle in Proteinen oder DNA anordnen und zusammenhalten. Sie tragen zur Stabilität von biologischen Makromolekülen bei und können sogar die dreidimensionale Struktur beeinflussen, die für die Funktion dieser Moleküle essentiell ist. Daher sind die Van Der Waals Kräfte, obwohl sie im Allgemeinen schwächer sind als andere Arten von Kräften in der Physik, in ihrer Rolle in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie nicht zu unterschätzen. Schließlich bestimmt in vielen Fällen das Zusammenspiel aller Kräfte das endgültige Verhalten eines Systems.

Der praktische Teil: Kräfte berechnen und anwenden

In der Praxis tritt selten nur eine einzelne Kraft auf. Oft wirken mehrere Kräfte zusammen und erzeugen eine Gesamtkraft. Um Kräfte zu berechnen und anzuwenden, ist es wichtig, sie zu zerlegen und zusammenzusetzen. Das grundlegende Werkzeug für solche Aufgaben ist das sogenannte Kräfteparallelogramm.

Wie man ein Kräfteparallelogramm aufstellt und löst

Ein Kräfteparallelogramm ist ein effektives Hilfsmittel zur grafischen Darstellung der Zusammenfassung von Kräften. Es ist besonders nützlich, wenn du mit zwei Kräften zu tun hast, die nicht in die gleiche Richtung zeigen. Hier ist, wie du ein Kräfteparallelogramm aufstellst und löst: 1. Du zeichnest zwei Vektoren, die die Kräfte darstellen, mit dem selben Anfangspunkt. 2. Du zeichnest eine Linie parallel zu jeder Kraft, beginnend am Endpunkt der anderen Kraft. Damit erhältst du ein Parallelogramm. 3. Du berechnest die resultierende Gesamtkraft, indem du einen Vektor vom Anfangspunkt der Kräfte bis zum gegenüberliegenden Eckpunkt des Parallelogramms zeichnest.

Stelle dir vor, du ziehst einen Schlitten mit einer Kraft von 10 N in eine Richtung und dein Freund zieht den Schlitten in eine um 60° abweichende Richtung ebenfalls mit einer Kraft von 10 N. Um die resultierende Kraft zu finden, zeichnest du die beiden Kräfte als Vektoren mit dem selben Anfangspunkt. Dann zeichnest du Linien parallel zu diesen Kräften, um das Parallelogramm zu erstellen. Der Diagonalvektor des Parallelogramms gibt die resultierende Gesamtkraft an.

Um das Kräfteparallelogramm zu lösen und die resultierende Kraft zu finden, kannst du die folgende Formel anwenden: \[ |\mathbf{R}| = \sqrt{|\mathbf{F1}|^2 + |\mathbf{F2}|^2 + 2 |\mathbf{F1}| |\mathbf{F2}| \cos(\theta)} \]

Vom Kräfteparallelogramm zum Kräftegleichgewicht: Der Weg

Ein Kräftegleichgewicht liegt vor, wenn die Summe aller wirkenden Kräfte null ist. Das bedeutet, dass der Körper, auf den die Kräfte wirken, sich nicht bewegt oder konstant in eine Richtung bewegt. Im Kontext des Kräfteparallelogramms bedeutet dies, dass die resultierende Kraft (dargestellt durch die Diagonale des Parallelogramms) null ist.

Ein gutes Beispiel dafür ist ein Seiltänzer, der sich auf einem straff gespannten Seil bewegt. Die nach unten gerichtete Schwerkraft wirkt gegen die nach oben gerichtete Zugkraft des Seils. Die Seiltänzerin bewegt sich nur dann konstant vorwärts, wenn diese beiden Kräfte sich aufheben und ein Kräftegleichgewicht vorliegt. In diesem Fall, repräsentiert das Kräfteparallelogramm ein Rechteck, da die resultierende Kraft (die Diagonale) null ist.

Um ein Kräftegleichgewicht zu erreichen oder festzustellen, musst du alle Kräfte, die auf den Körper wirken, zusammenzählen. Wenn die Summe null ist, liegt ein Kräftegleichgewicht vor.

Anwendung der Kräftezerlegung und Kräfteaddition in der Physik

Die Zerlegung von Kräften ermöglicht es, komplexe Bewegungen und Interaktionen zwischen Objekten zu begreifen. Denke beispielsweise an einen Körper, der eine schiefe Ebene hinabrollt. Dieser Körper erfährt die Schwerkraft, die ihn nach unten zieht, und die Reibung, die ihn bremst. Diese beiden Kräfte können in jeweils zwei Komponenten zerlegt werden, um die gesamte Bewegung des Körpers zu analysieren. Die Kräfteaddition ist die Summe mehrerer Kräfte, die auf einen Körper wirken. Dies ist besonders wichtig, wenn es darum geht, die resultierende Kraft zu bestimmen, die auf ein Objekt wirkt.

Ein Beispiel dafür ist ein Buch, das auf einem Tisch liegt. Die Schwerkraft zieht das Buch nach unten, während die Auflagekraft des Tisches das Buch hält. Diese beiden Kräfte heben sich auf und resultieren in einer Gesamtkraft von null – das Buch bleibt in Ruhe liegen. Hierbei wird die Methode der Kräfteaddition angewendet.

Die Bedeutung des Kräftegleichgewichts in praktischen Berechnungen

Ein Kräftegleichgewicht ist wichtig, um physikalische Systeme zu verstehen und zu berechnen. Es kommt dabei immer wieder zu praktischen Anwendungen. Beispielsweise wird es im Bauwesen genutzt, um herauszufinden, ob eine Struktur stabil ist. Wird eine Brücke konstruiert, muss das Kräftegleichgewicht sicherstellen, dass die Brücke den Kräften, die auf sie wirken – wie etwa Wind, Fahrzeuge oder Schwingungen – standhalten kann. Jedes System oder jeder Körper, der sich in Ruhe befindet oder sich mit konstanter Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegt, befindet sich im Kräftegleichgewicht. Für die Berechnung des Kräftegleichgewichts musst du lediglich alle auf einen Körper wirkenden Kräfte in ihre jeweiligen Komponenten zerlegen und diese dann in jeder Dimension zusammenzählen. Wenn die Summe all dieser zerlegten Kräfte in jeder Dimension null ist, hast du ein Kräftegleichgewicht. Dein Körper wird dann entweder in Ruhe bleiben oder sich mit einer konstanten Geschwindigkeit weiterbewegen. Die Beherrschung dieser Techniken und Konzepte ist grundlegend, um die Bewegung und Interaktion von Objekten in deiner physischen Welt zu verstehen und vorherzusagen. Mit ihnen stehen dir wirksame Werkzeuge zur Verfügung, um verschiedene physikalische Phänomene zu untersuchen, von der Bewegung eines Satelliten im Orbit bis hin zur Bestimmung der Stabilität eines Wolkenkratzers.

Kräfte Physik - Das Wichtigste

  • Grundbegriff: Physikalische Kraft ist eine Wechselwirkung zwischen Körpern, die deren Bewegungszustand verändern oder verformen können.
  • Unterscheidung zwischen Kontakt- und Fernkräften, zum Beispiel Reibung und Zug (Kontaktkräfte) gegenüber Schwerkraft und Elektromagnetismus (Fernkräfte).
  • Einführung verschiedener Kräfte: Elektrische Kraft, Dipol-Dipol-Kräfte, exogene und endogene Kräfte, und Van Der Waals Kräfte.
  • Kräfte berechnen und anwenden mithilfe von Konzepten wie dem Kräfteparallelogramm, Kräftezerlegung, Kräfteaddition und Kräftegleichgewicht.
  • Verbindung und Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Kräften, insbesondere elektrische gegenüber Dipol-Dipol-Kräften und exogenen und endogenen Kräften.
  • Besondere Bedeutung von Van Der Waals Kräften trotz ihrer Bezeichnung als schwache Kräfte in der Physik und Chemie.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kräfte Physik

Die vier Grundkräfte in der Physik sind die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft.

Für Kräfte gelten folgende Regeln: Sie können addiert und subtrahiert werden (Überlagerungsprinzip). Ein Körper bleibt in Ruhe oder bleibt in gleichförmiger geradliniger Bewegung, sofern keine resultierende Kraft auf ihn wirkt (Trägheitsprinzip). Auf jede Kraft wirkt eine gleichgroße entgegengesetzte Kraft (Wechselwirkungsprinzip).

Mechanische Kräfte umfassen normalerweise Gravitationskräfte, Reibungskräfte, Zug- und Druckkräfte, und Zentrifugalkräfte. Sie können auch die entwickelten Kräfte in Maschinen und Strukturen beinhalten.

Endogene Kräfte sind jene, die innerhalb der Erde entstehen und ihre Form verändern können. Dazu gehören vor allem tektonische Kräfte, die von den Bewegungen der Erdplatten herrühren, und vulkanische Kräfte, die durch Magmaströme verursacht werden.

Finales Kräfte Physik Quiz

Kräfte Physik Quiz - Teste dein Wissen

Frage

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

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Antwort

Kräfteparallelogramm

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Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

Reibungskraft

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Frage

Benenne die drei Newtonschen Gesetze.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Trägheitsprinzip
  2. Aktionsprinzip
  3. Reaktionsprinzip

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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!

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Antwort

Zweites Newtonsches Gesetz (auch: Grundgesetz, Aktionsprinzip)

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Frage

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

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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.

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Frage

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

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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.

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Frage

Erkläre, wie ein Kräftegleichgewicht entsteht.

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Antwort

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

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Frage

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

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Antwort

Definitionsgemäß ist Arbeit proportional zur zurückgelegten Strecke und aufgewandter Kraft.

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Frage

Erläutere den Zusammenhang zwischen Energie und Arbeit.

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Antwort

Die verrichtete Arbeit entspricht der Energieänderung.

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Frage

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

Interpretiere, was die Impulsänderung verursachen könnte.

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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.

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Frage

Erläutere den Unterschied zwischen Gewichtskraft und Gravitationskraft.

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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.

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Frage

Vergleiche die Gleitreibung mit Haftreibung.

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Antwort

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

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Frage

Beschreibe das Superpositionsprinzip.

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Antwort

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

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

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Frage

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

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Antwort

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

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Frage

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

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Antwort

Es besteht kein Zusammenhang.

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Frage

Ist der Ortsfaktor g überall gleich?

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Antwort

ja

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Frage

Welchen Einfluss hat die Gravitation eines Menschen auf die Erde?

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Antwort

keinen bzw. einen sehr geringen

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Frage

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

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Antwort

J "Joule"

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Frage

Welche Formulierung verwendet man im Zusammenhang mit der Arbeit?

"Arbeit wird an einem Körper ... ."

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Antwort

verrichtet

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Frage

Vollende den folgenden Satz.

"Arbeit ist physikalisch im Allgemeinen ... ."

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Antwort

eine Änderung der Energie

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Frage

Welcher Merksatz gilt für die allgemeine mechanische Arbeit?

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Antwort

"Arbeit ist Kraft mal Weg"

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Frage

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

"Die verrichtete Arbeit ist ... ."

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Antwort

proportional zur Kraft

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Frage

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

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Antwort

ja

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Frage

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

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Antwort

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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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Frage

Als langsame Variante welches Versuches wird die schiefe Ebene verwendet?

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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.

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Frage

Wie wird ein möglichst geringer Reibungswiderstand gewährleistet?

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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?

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Antwort

Für die Beschleunigung des Körpers sorgt dessen Gewichtskraft. 

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Frage

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

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Antwort

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

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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.

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Frage

Wovon hängt die Größe der Hangabtriebskraft ab?

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Antwort

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

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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?

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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.

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Frage

Welcher Form der Arbeit gehört die Hubarbeit an?

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Antwort

mechanische Arbeit

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Frage

Welche Kraft wirkt dir beim Heben eines Körpers allgemein entgegen?

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Antwort

Gewichtskraft

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Frage

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

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Antwort

Hubkraft < Gewichtkraft

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Frage

Welche Einheit wird für die Hubarbeit verwendet?

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Antwort

Nm (Newtonmeter), selten auch J (Joule)

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Frage

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

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Antwort

Hubarbeit ist proportional abhängig von der gehobenen Masse

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Frage

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

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Antwort

keine Veränderung der Hubarbeit

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Frage

Wie lautet der Merksatz zur mechanischen Arbeit?

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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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Antwort

Die Kraft ist die Gewichtskraft.

Der Weg ist die Hubhöhe.

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Frage

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

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Antwort

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

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Frage

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

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Antwort

potentielle Energie

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Frage

Gehört die Verformungsarbeit zu den mechanischen Arbeiten?

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Antwort

ja

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Frage

Benenne die beiden grundsätzlichen Arten einer Verformung.

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Antwort

elastische Verformung und plastische Verformung

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Frage

Beschreibe anhand eines Beispiels die plastische Verformung.

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Antwort

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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Frage

Beschreibe anhand eines Beispiels die elastische Verformung.

Antwort anzeigen

Antwort

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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Frage

Wie wirken Feder- und Spannkraft an einer elastischen Feder miteinander?

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Antwort

betragsgleich und entgegengerichtet

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

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

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

Kräfteparallelogramm

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

Reibungskraft

Benenne die drei Newtonschen Gesetze.

  1. Trägheitsprinzip
  2. Aktionsprinzip
  3. Reaktionsprinzip

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!

Zweites Newtonsches Gesetz (auch: Grundgesetz, Aktionsprinzip)

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

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.

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

  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.

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