Physikalischer Kraftbegriff

Physikalischer Kraftbegriff

Der Begriff “Kraft” ist Dir sicher aus dem Alltag bekannt. Es gibt im täglichen Sprachgebrauch zahlreiche Wörter, in denen der Begriff “Kraft” verwendet wird, wie Willenskraft, Reinigungskraft, Gewichtskraft oder Bremskraft.

Doch nicht alles, was im Alltag mit Kraft bezeichnet wird, ist auch im physikalischen Sinne eine Kraft. In der Physik hat Kraft eine eindeutige Definition.

Was ist eine Kraft?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Kraft auf einen Körper wirken zu lassen, z.B.

• einen Körper anstoßen / wegschieben
• einen Körper abbremsen
• mit einem Magneten ein Eisenstück anheben oder eine Eisenkugel ablenken
• einen Körper fallen lassen
• Knetgummi zusammendrücken oder auseinanderziehen
• einen Schwamm zusammendrücken
• an einem Gummiband ziehen

Woran kann man erkennen, ob auf einen Körper eine Kraft wirkt?

In allen o.g. Beispielen lässt sich etwas beobachten, und zwar die Wirkung der Kraft:

1) Der Körper ändert seinen Bewegungszustand (Er wird schneller, langsamer oder er ändert seine Richtung)

2) Der Körper wird verformt

Eine Kraft selbst ist nicht sichtbar. Man kann Kräfte nur an ihren Wirkungen erkennen:

Wovon hängt die Wirkung einer Kraft ab?

Ob ein Körper durch eine Kraft schneller oder langsamer wird, ob er seine Richtung ändert oder ob und wie stark er sich verformt, hängt von verschiedenen Faktoren ab.

Unter dem Angriffspunkt versteht man den Punkt, an dem die Kraft angreift.

Beispiel: Befindet sich eine Wippe im Gleichgewicht, und jemand zieht an der Wippe, so macht es einen Unterschied, auf welcher Seite gezogen wird, also an welcher Stelle die Kraft angreift.

Die Größe der Kraft bestimmt, wie stark sich die Bewegung eines Körpers ändert:

Je größer z.B. ein Auto beschleunigt werden soll, umso größer muss die Kraft sein, die das Auto beschleunigt.

Die Richtung der Kraft bestimmt die Richtung der Bewegungsänderung:

Wirkt die Kraft in Bewegungsrichtung eines Körpers, so wird er schneller, wirkt sie entgegen der Bewegungsrichtung, so wird der Körper abgebremst.

Außerdem hängt die Wirkung von der Beschaffenheit des Körpers ab:

• ein weicher Körper wird von der gleichen Kraft stärker verformt als ein harter.
• die gleiche Kraft kann die Bewegung eines leichten Körpers stärker verändern als die eines schweren Körpers.

Darstellung von Kräften

Kräfte werden mit Hilfe von Pfeilen dargestellt:

Der Pfeil beginnt im Angriffspunkt und zeigt in Richtung der Kraft. Die Länge des Kraftpfeils gibt die Größe der Kraft an: Je länger der Pfeil, umso größer die Kraft.

Die Gerade, die durch den Kraftpfeil gelegt werden kann, wird als Wirkungslinie bezeichnet.

Die Trägheit – ohne Kraft keine Bewegungsänderung

Wir haben die Kraft als Ursache für Bewegungsänderungen definiert. Wenn sich der Bewegungszustand eines Körpers ändert, ist die Ursache also immer eine Kraft.

Im Umkehrschluss folgt daraus:

Ohne das Einwirken einer Kraft kann sich der Bewegungszustand eines Körpers nicht ändern.

Die Eigenschaft eines Körpers, seinen Bewegungszustand ohne Einwirken einer Kraft beizubehalten, bezeichnet man als Trägheit.

Der oben beschriebene Zusammenhang wurde von Isaac Newton im sog. Trägheitsgesetz festgehalten:

Dass keine Kraft erforderlich ist, damit sich ein Körper gleichförmig bewegt bzw. dass ohne Einwirken einer Kraft die Bewegung niemals stoppt, widerspricht scheinbar unserer Alltagserfahrung:

Hören wir auf dem Fahrrad auf zu treten, so werden wir langsamer und halten irgendwann an. Das gleiche gilt für ein Auto, wenn man den Motor ausstellt oder für jeden andern Körper, der rollt, gleitet oder fliegt – jede Bewegung kommt irgendwann zur Ruhe.

Doch der Grund dafür ist nicht, dass keine Kraft wirkt, sondern dass es im Alltag praktisch immer Kräfte gibt, die jeden bewegten Körper abbremsen, nämlich Reibungskräfte. Diese spezielle Art von Kräften werden wir uns in einem späteren Abschnitt genauer vornehmen.

Die Einheit der Kraft

Das Formelzeichen der Kraft kennst Du bereits, nämlich ein großes “F“. Doch jede Messgröße benötigt auch eine Einheit.

Die Einheit der Kraft ist ein Newton (1 N). Benannt wurde die Einheit nach dem berühmten Physiker Isaac Newton, von dem Du bereits das Trägheitsgesetz (s.o.) kennengelernt hast.

Um die Frage zu klären, wie groß die Kraft 1 N ist, wäre es gut, wenn wir Kräfte messen könnten. Doch bevor wir uns mit dem Messen von Kräften beschäftigen, wollen wir zuerst eine ganz bestimmte Kraft untersuchen, die Du sehr gut kennst, weil Du sie jederzeit spürst: Die Schwerkraft oder Gewichtskraft.