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