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Kräfte

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Physik

Dieser Artikel dreht sich um das Themengebiet Kräfte. Was es damit auf sich hat, welche Begriffe und Formeln für dich wichtig sind und wie du diese in Beispielen anwendest, erfährst du in diesem Artikel. Das Kapitel können wir der Mechanik und damit dem Fach Physik zuordnen. 


  • Einteilung in der klassischen Mechanik
  • Was ist eine Kraft und wie lässt sie sich vollständig beschreiben?
  • Grundsätze zur Beschreibung von Kräften
  • Welche Wirkungen lösen Kräfte aus?
  • Fundamentale und abgeleitete Kräfte
  • Wann herrscht ein Kräftegleichgewicht?


Grundlagen Mechanik

In der Physik stolpern wir oft über den Begriff der Kraft. Doch was genau ist denn eigentlich eine Kraft und in welchen Themengebieten nutzen wir diese überhaupt? Bevor wir uns näher mit dem Begriff Kraft auseinandersetzen, klären wir zunächst die Frage, in welchen Bereichen der Mechanik diese eine Rolle spielen.

Wie wir bereits aus dem Kapitel Mechanik wissen, beschäftigt sich die klassische Mechanik im Allgemeinen mit ruhenden und bewegten Körpern und den dabei auftretenden Kräften. Dabei können zwei große Teilgebiete unterschieden werden: die Kinematik und die Dynamik.


Abbildung 1: Einteilung Mechanik

 

In der Kinematik, der Lehre von Bewegungen, werden mechanische Bewegungen ohne Berücksichtigung der einwirkenden Kräfte betrachtet. Ein Beispiel dafür wäre eine gleichförmige Bewegung eines Körpers, bei dem die Ursache der Bewegung keine Rolle spielt. Das zweite große Themengebiet ist die Dynamik. In diesem Teilgebiet werden angreifende Kräfte mit berücksichtigt, weshalb die Dynamik auch als Lehre von Kräften betitelt wird. Diese kann noch weiter untergliedert werden in das Teilgebiet der Statik, in der Kräfte auf ruhende Körper behandelt werden und in das Teilgebiet der Kinetik, bei der Kräfte als Ursache für die Bewegungen untersucht werden. Bei dem Themengebiet der Kräfte befinden wir uns in der Mechanik also im Teilgebiet Dynamik.


Kräfte - Was hat es damit auf sich?

Kräfte begleiten uns tagtäglich im Alltag. Sowohl beim bloßen Stehen auf dem Boden als auch beim Werfen eines Balls begegnen uns Kräfte. Aber was genau ist denn überhaupt eine Kraft in physikalischer Hinsicht?

Beschreibung einer Kraft

Physikalisch betrachtet ist eine Kraft die Ursache dafür, dass ein Körper seinen Bewegungszustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegungen verändert oder eine Verformung des Körpers stattfindet.

So lässt sich eine Kraft meist optisch nur an ihrer Wirkung erkennen. Diese Definition einer Kraft geht auf den bekannten Wissenschaftler Isaac Newton (1643 - 1727) zurück. Entsprechend wird in der Literatur die Kraft mit dem Buchstaben F und der zugehörigen Einheit Newton nach ihrem Erfinder gekennzeichnet.


In Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass 1 Newton demnach die Kraft ist, die notwendig ist, um eine Masse von 1 kg mit 1 m/s² zu beschleunigen. 

Gemessen wird eine Kraft häufig durch einen sogenannten Federkraftmesser. Dieser besitzt im Inneren eine Feder, die, je nach Größe der ziehenden Kraft, auseinander gezogen wird. Mithilfe einer geeigneten Skala kann die einwirkende Kraft damit direkt abgelesen werden.

Physikalisch sind für die Beschreibung der Kraft aber nicht nur ein Zahlenwert und ihre zugehörige Einheit notwendig. 

Eine vollständige Beschreibung der Kraft ist gekennzeichnet durch:


  • Betrag (Zahlenwert mit Einheit)
  • Wirkungslinie
  • Richtungssinn
  • Angriffspunkt
Zur Veranschaulichung dieser verschiedenen Komponenten sind diese in der folgenden Grafik eingezeichnet. Zunächst beginnen wir mit einem bestimmten Anfangspunkt bzw. Angriffspunkt. Von dort aus muss die Wirkungslinie  der Kraft in die Skizze übertragen werden, also entlang welcher Linie die Kraft überhaupt auf den Körper wirkt. Wie groß die Kraft ist (der Betrag), wird durch das Zeichnen einer bestimmen Pfeillänge definiert. Abschließend wird der Richtungssinn in Form eine Pfeilspitze ergänzt. So erhalten wir einen Kraftpfeil mit bestimmter Länge und bestimmter Richtung.

Abbildung 2: Komponenten der Kraft

 

Mathematisch wird deshalb die Kraft mit einem Pfeil über dem Buchstaben F gekennzeichnet. So ist dies als gerichtete Größe definiert, wie du gerade in dem Beispiel sehen konntest. Jedoch wird in der Literatur oft nur der Betrag verwendet, wenn es für die Aufgabenstellung zulässig ist. 


Newtonsche Axiome

Isaac Newton hat in diesem Zuge neben der Beschreibung einer Kraft auch verschiedene Grundsätze zu den Kräften formuliert. Die sogenannten Newtonschen Axiome oder Newtonschen Prinzipien bilden dabei ein wichtiges Fundament in der Mechanik. In der Literatur werden hauptsächlich drei verschiedene Newtonsche Gesetze genannt, auf die wir nachfolgend kurz eingehen.


1. Newtonsches Axiom ("lex prima")

Newtons erstes Axiom, auch Trägheitsgesetz bzw. Trägheitsaxiom, geht auf die Definition der Kraft zurück. Es besagt, dass sich der Bewegungszustand eines Körpers nicht verändert, solange keine äußeren einwirkenden Kräfte eine Änderung des Zustands bewirken. Der Körper verharrt also in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, solange er nicht durch äußere Kräfte gezwungen wird dies zu ändern.

2. Newtonsches Axiom ("lex secunda")

Das Aktionsprinzip, auch bekannt als das zweite Newtonsche Gesetz oder Newtonsches Grundgesetz, geht ebenfalls auf die Definition der Kraft zurück und stellt den Zusammenhang zwischen physikalischen Größen her. Aus der Einheit ergibt sich eine Beziehung zwischen den Größen Masse, Beschleunigung und Kraft. 


Das zweite Prinzip ist in dieser Form jedoch nur zulässig, wenn die Masse des Körpers konstant bleibt. Durch die Herleitung über den Impuls können entsprechend auch Bewegungen von Körpern mit veränderlicher Masse betrachtet werden.


3. Newtonsches Axiom ("lex tertia")

Das 3. Newtonschen Gesetz, das sogenannten Wechselwirkungsgesetz oder Reaktionsprinzip besagt, dass Kräfte immer paarweise auftreten. Somit erzeugt jede Aktion (actio) eine gleich große Reaktion (reactio) oder kurz: actio = reactio.

Wird von einem Körper A eine Kraft auf einen Körper B ausgeübt, so wirkt eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft von Körper B auf Körper A.  Nicht zu verwechseln ist dies mit dem Kräftegleichgewicht, worauf wir im weiteren Verlauf des Artikels noch eingehen werden.


Superpositionsprinzip (4. Newtonsches Axiom "lex quarta")

Aufgrund des Superpositionsprinzips ist es überhaupt erst möglich mehrere einwirkenden Kräfte zu einer resultierenden Kraft zu addieren. Wirken zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper, so können diese zu einer Summe zusammengefasst werden.


Mehr Infos zu den Grundlagen der Kraft und den damit verbundenen Newtonschen Axiomen findest du im Kapitel die Größe Kraft und den zugehörigen Unterkapiteln der Newtonschen Gesetze.


Wirkung von Kräften

Mechanische Kräfte lassen sich wie bereits erwähnt nicht direkt erkennen, sondern anhand ihrer Wirkung. Physikalisch können dabei verschiedene Wirkungen von Kräften unterschieden werden:


Abbildung 3: Wirkung von Kräften

 

So kann eine Kraft sowohl zur Bewegungsänderung oder zur Formänderung eines Körpers führen. Dabei lässt sich die Geschwindigkeit verändern, indem das Objekt beschleunigt oder abgebremst wird. Zudem kann die Richtung der Bewegung durch einwirkende Kräfte umschlagen. Vorübergehende Verformungen, bei denen der Körper nach Wegfallen der einwirkenden Kraft wieder in seinen Ausgangszustand zurückspringt, werden als elastisch bezeichnet. Im Gegensatz dazu existiert die plastische Verformung. Der Körper wird dabei durch die einwirkende Kraft dauerhaft verformt und verharrt auch nach Wegfall der Kräfte in dieser Form. Dies spielt vor allem bei Stoßvorgängen eine wichtige Rolle. In engem Zusammenhang mit der Kraft stehen damit auch die Begriffe mechanische Arbeit, mechanische Energie und mechanische Leistung.

Möchtest du nähere Informationen zu diesen Themengebieten, dann lies einfach in den separaten Artikeln nach.


Wir wissen damit bereits was genau eine Kraft ist, wie sie sich beschreiben lässt und welche Wirkungen sie auslösen kann. Aber welche Kräfte gibt es denn überhaupt?


Einteilung der Kräfte

In der Physik existieren verschiedenen Formen von Kräften. Grundsätzlich können sie dabei in zwei Bereiche eingeteilt werden: fundamentale Kräfte und abgeleitete Kräfte.

Fundamentale Kräfte

Die fundamentalen Kräften stellen den Grundstein für alle existierenden Kräfte dar. So lassen sich anhand von vier Grundkräften, die den fundamentalen Wechselwirkungen der Natur entsprechen, alle weiteren Kräfte auf diese Kräfte zurückführen.


Abbildung 4: Fundamentale Kräfte

 

Schwerkraft:

Die Schwerkraft oder Gravitation wirkt als Anziehung zwischen zwei Massen und wirkt über sehr große Entfernungen. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Erdanziehung. Sie sorgt dafür, dass alle Körper auf der Erde und die Erde sich gegenseitig anziehen. So ist es überhaupt erst möglich auf der Erdoberfläche zu laufen anstatt umher zu schweben. Sie besitzt eine unendliche Reichweite und kann zudem nicht abgeschirmt werden. Von allen vier fundamentalen Grundkräften ist sie trotzdem die schwächste, weshalb wir beispielsweise relativ einfach einen Stein vom Boden aufheben können. Häufig werden in der Literatur als Austauschteilchen die Gravitonen genannt, die dafür sorgen, dass die Gravitation übertragen wird.



Elektromagnetische Kraft:

Ebenfalls auf große Entfernungen wirkt die elektromagnetische Kraft. Diese kann im Gegensatz zur Gravitation aber abgeschirmt werden. Der Elektromagnetismus setzt sich zusammen aus elektrischen und magnetischen Phänomenen. Zwischen elektrisch geladenen Teilchen von unterschiedlicher oder gleicher Ladung gibt es Kraftwirkungen. So bewirkt es eine Anziehung bei zwei entgegengesetzt geladenen Teilchen, wie beispielweise Elektron und Proton. Umgekehrt stoßen sich Teilchen mit gleichnamigen Ladungen ab. Bewegte Ladungen erzeugen zusätzlich noch ein magnetisches Feld. Die elektromagnetische Kraft sorgt beispielweise dafür, dass Atome mit ihrem positiven Atomkern und den negativ geladenen Elektronen in der Hülle zusammengehalten werden. Übertragen wird die elektromagnetische Wechselwirkung durch Photonen. Ein klassisches Beispiel dafür ist Licht. Die elektromagnetische Kraft ist die zweitschwächste unter den vier fundamentalen Kräften, aber um einiges stärker als die Gravitation.


Starke Kraft:

Wie der Name schon vermuten lässt, ist die starke Kraft die Stärkste unter den Grundkräften. Die Austauschteilchen sind ist diesem Fall die sogenannten Gluonen. In den Atomkernen, die aus Protonen und Neutronen bestehen, findet sich diese starke Kraft wieder. Normalerweise stoßen sich Protonen aufgrund ihrer elektrischen Ladung voneinander ab. Die starke Kraft sorgt dabei indirekt dafür, dass die Protonen und Neutronen im Atomkern gebunden werden und dieser als stabiler Kern bestehen bleibt. Eine Besonderheit ist im Gegensatz zu den anderen Kräften zu verzeichnen, da sie stärker wird, wenn sich die Teilchen voneinander entfernen. Bei elektrischen Ladungen ist der Gegenteil der Fall.


Schwache Kraft:

Zuletzt wird die sogenannte schwache Kraft als letzte fundamentale Kraft aufgeführt. Trotz ihres Namen ist sie stärker als die elektromagnetische Kraft, jedoch schwächer als die starke Kraft. Sie ist beispielsweise für spezielle radioaktive Zerfälle und Umwandlung von Atomkernen verantwortlich. Zum Beispiel kann sie dafür sorgen, dass sich aus einem Neutron ein Proton bilden kann, unter Abspaltung anderer Teilchen. Die Austauschteilchen werden oft als Bosonen bzw. , oder Z-Teilchen betitelt. Die starke und schwache Kraft fallen dabei unter das Themengebiet der Teilchenphysik bzw. Kernphysik.


Abgeleitete Kräfte

Anhand der fundamentalen Kräfte lassen sich weitere Kräfte ableiten. Die nachfolgende Tabelle zeigt dabei die wichtigsten Kräfte mit Beispiel und Berechnung. Dabei dient die nachfolgende Übersicht nur als grobe Übersicht der wichtigsten mechanischen Kräfte. Nähere Informationen zu den jeweiligen Themen können in den jeweiligen Unterkapiteln nachgelesen werden.



BezeichnungBeispielBeschreibungFormelGrößen
Gewichtskraft

Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird.



: Gewichtskraft in N
m: Masse in kg
g: Erdbeschleunigung in m/s²
Normalkraft

Kraft, senkrecht zur Auflagefläche

: Normalkraft in N
: Gewichtskraft in N
: Winkel in Grad in Rad
Reibungskraft (Haftreibung)

Kraft, die das Gleiten zwischen zwei Körper verhindert.

: Haftreibungskraft in N
: Normalkraft in N
: Haftreibungszahl
Reibungskraft
(Gleitreibung)

Kraft, die das Gleiten des Körpers hemmt

: Gleitreibungskraft in N
: Normalkraft in N
: Gleitreibungszahl
Reibungskraft
(Rollreibung)

Kraft, die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt

FR,RFR,R: Rollreibungskraft in N
FN: Normalkraft in N
μR: Rollreibungszahl
Federkraft
(Spannkraft)

Kraft, die entgegengesetzt zur Dehnung wirkt

FS: Spannkraft in N
D: Federkonstante in N/m
s: Strecke in m
Auftriebskraft

Kraft, die auf einen im Fluid eingetauchten Körper wirkt

FA: Auftriebskraft in N
ρF: Dichte Fluid in kg/m³
g: Erdanziehung in m/s²
Radialkraft (Zentrifugal)

Kraft, die bei Rotation nach außen wirkt


FZF: Zentrifugalkraft in N
m: Masse in kg
v: Geschwindigkeit in m/s
 ω : Winkelgeschwindigkeit in 1/s
r: Radius in m
Radialkraft
(Zentripetal)

Kraft, die bei Rotation nach innen wirktFZP: Zentripetalkraft in N
m: Masse in kg
v: Geschwindigkeit in m/s
 ω : Winkelgeschwindigkeit in 1/s
r: Radius in m
Widerstandskraft (Fluide)

Kraft, die der Bewegung entgegenwirkt


FWF: Widerstandskraft Fluid in N
w  : Widerstandsbeiwert
A: Querschnittsfläche in m²
F  : Dichte Fluid in kg/m³
v: Strömungsgeschwindigkeit in m/s


Damit hätten wir bereits alle wichtigen fundamentalen und abgeleiteten Kräfte kennengelernt. Für die Mechanik ist noch eine weitere Betrachtung im Zusammenhang mit der Kraft von Bedeutung, das sogenannte Kräftegleichgewicht.


Kräftegleichgewicht

Wir wissen bereits aus der Beschreibung einer Kraft, dass diese anhand mehreren Komponenten beschrieben werden kann. Diese spielen auch beim Kräftegleichgewicht eine Rolle. 

Zwei an einem Körper angreifende Kräfte befinden sich dann im Gleichgewicht, wenn sie:


  • die gleiche Wirkungslinie haben,
  • gleich groß sind (Betrag) und
  • entgegengesetzt gerichtet sind.

Die nachfolgende Abbildung zeigt dabei zwei Beispiele für Körper, bei denen zwei Kräfte im Gleichgewicht sind.

Abbildung 5: Kräftegleichgewicht

In beiden Fällen befindet sich ein Kräftepaar im Gleichgewicht und hebt sich somit auf. Im Beispiel des ruhenden Körpers ist das Kräftegleichgewicht eindeutig, da sich beide Kräfte auf der gleichen Wirkungslinie befinden, den gleichen Betrag besitzen und entgegengesetzt gerichtet sind. Beim gezeichneten Körper in Bewegung wirken

mehrere Kräfte auf den Körper ein. Aber auch bei mehr als zwei angreifenden Kräften kann sich ein Kräftegleichgewicht einstellen, wenn die Summe aller angreifenden Kräfte gleich null sind.

 

Die resultierende Kraft aller Kräfte muss immer null ergeben damit der Körper sich im Kräftegleichgewicht befindet. Damit ergibt sich:



Damit zeigen wir, dass der Bewegungszustand eines Körpers der sich in einem Kräftegleichgewicht befindet, nicht veränderlich ist. Er verharrt demnach in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung (v = konstant). Weitere Informationen und Anwendungsbeispiele zu diesem Thema findest du in den entsprechenden separaten Artikeln.


Somit haben wir alle relevanten Grundlagen zu den Kräften kennengelernt. Möchtest du noch mehr über die verschiedenen Themenbereiche wissen, so kannst du diese in den jeweiligen Kapiteln auf Studysmarter nachlesen. 

Ebenfalls zum empfehlen sind die zugehörigen Karteikarten. 


Kräfte - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die klassische Mechanik teilt sich in die Themengebiete Kinematik und Dynamik auf.
  • Kräfte spielen in der Dynamik eine wichtige Rolle, weshalb das Themengebiet auch als Lehre der Kräfte betitelt wird.
  • Eine Kraft ist die Ursache dafür, dass ein Körper seinen Bewegungszustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung verändert oder eine Verformung des Körpers stattfindet.
  • Die Kraft wird mit dem Buchstaben F gekennzeichnet und der Einheit Newton:
    • [F] = N = kg*m/s²
  • Für die vollständige Beschreibung als gebundener Vektor sind folgende Komponenten nötig:
    • Betrag (Zahlenwert und Einheit)
    • Wirkungslinie
    • Richtungssinn
    • Angriffspunkt
  • Es existieren drei Newtonsche Axiome über die Kraft:
  • Kräfte lassen sich nur anhand ihrer Wirkungen erkennen:
    • Bewegungsänderung (Richtung und/oder Geschwindigkeit)
    • Formänderung (elastisch oder plastisch)
  • In der Physik werden Kräfte in fundamentale und abgeleitete Kräfte eingeteilt.
  • Die vier fundamentalen Kräfte sind der Grundstein für alle abgeleiteten Kräfte:
    • Schwerkraft
    • Elektromagnetische Kraft
    • Starke Kraft
    • Schwache Kraft
  • Abgeleitete Kräfte sind beispielweise die Gewichtskraft, die Normalkraft, die Reibungskraft, die Federkraft, die Auftriebskraft, die Radialkraft und die Widerstandskraft.
  • Ein Körper befindet sich im Kräftegleichgewicht, wenn sich sein Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung nicht verändert.
  • Bei einem Kräftegleichgewicht ergibt die Summe aller einwirkenden Kräfte eine resultierende Kraft gleich null.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kräfte

Die Kraft wird in der Einheit Newton angegeben.

  • [F] = N
  • 1 N = 1 kg*m/s²

Kräfte werden in der Physik unterteilt in fundamentale Kräfte (z.B. Schwerkraft) und abgeleitete Kräfte (z.B. Auftriebskraft).

In der Physik existieren vier Grundkräfte:

  • Schwerkraft
  • Elektromagnetische Kraft
  • Starke Kraft
  • Schwache Kraft

Kräfte können sowohl Bewegungsänderungen und/oder Formänderungen bewirken.

Finales Kräfte Quiz

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?

Antwort anzeigen

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?

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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.

Frage anzeigen

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?

Antwort anzeigen

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?


Antwort anzeigen

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.

Frage anzeigen

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?

Antwort anzeigen

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

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kraft ist die Gewichtskraft.

Der Weg ist die Hubhöhe.

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

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

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

potentielle Energie

Frage anzeigen

Frage

Gehört die Verformungsarbeit zu den mechanischen Arbeiten?

Antwort anzeigen

Antwort

ja

Frage anzeigen

Frage

Benenne die beiden grundsätzlichen Arten einer Verformung.

Antwort anzeigen

Antwort

elastische Verformung und plastische Verformung

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe anhand eines Beispiels die plastische Verformung.

Antwort anzeigen

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.

Frage anzeigen

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.

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

betragsgleich und entgegengerichtet

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Federkonstante einer Feder noch bezeichnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Härte der Feder

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet eine Feder ist hart bzw. weich?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine harte Feder besitzt eine große Federkonstante. Es wird mehr Kraft benötigt, um diese um eine gewisse Strecke zu dehnen bzw. ist bei gleicher Kraft die Dehnung / Stauchung kürzer.


Eine weiche Feder besitzt eine kleine Federkonstante. Es wird weniger Kraft benötigt, um diese um eine gewisse Strecke zu dehnen bzw. ist bei gleicher Kraft die Dehnung / Stauchung länger.

Frage anzeigen

Frage

Wie hängt die Federkraft einer elastischen Feder von der Dehnung / Stauchung ab?

Antwort anzeigen

Antwort

je größer die Dehnung / Stauchung, desto größer die Federkraft

Frage anzeigen

Frage

Stelle dir einen Bürostuhl vor. Das Kissen kann als Feder angesehen werden. Außerdem besitzt der Bürostuhl eine elastische Gasdruckfeder zwischen Sitzfläche und Fußkreuz. Wie wirken diese beiden Federn zusammen, wenn du dich oben auf das Kissen setzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Parallelschaltung

Frage anzeigen

Frage

Wie sind Federn in einer Parallelschaltung zueinander und bezüglich einer wirkenden Kraft ausgerichtet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Federn sind auf einer Ebene nebeneinander. Die Kraft wirkt senkrecht auf diese Ebene und verteilt sich dabei auf die Federn.

Frage anzeigen

Frage

Wird ein Trampolin beim Trampolinspringen plastisch oder elastisch verformt?

Antwort anzeigen

Antwort

elastisch

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Energie einer gespannten Feder genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

potentielle Energie, auch Federenergie

Frage anzeigen

Frage

In welcher Einheit wird die Spannarbeit an einer mechanischen Feder beschrieben?

Antwort anzeigen

Antwort

Nm: Newtonmeter

Frage anzeigen

Frage

Welche Einheit wird für die potentielle Energie einer gespannten Feder verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

J: Joule

Frage anzeigen

Frage

Was ist positive Korrelation?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn beide Variablen steigen, nennst du das positive Korrelation. Der Korrelationskoeffizient liegt zwischen 0 und 1. Ein Beispiel ist der Zusammenhang zwischen steigender Außentemperatur und der Anzahl an verkauftem Eis.

Frage anzeigen

Frage

Was ist negative Korrelation?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei negativer Korrelation sinkt die eine Variable während die andere steigt, der Korrelationskoeffizient liegt zwischen -1 und 0. 


Ein Beispiel ist der Kinopreis. Ein steigender Preis führt zu weniger Kinobesuchern.

Frage anzeigen

Frage

Was ist Kausalität?

Antwort anzeigen

Antwort

Kausalität beschreibt die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung. Ein Ereignis B hat immer eine Ursache A.

Frage anzeigen
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