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SG006 Kraft F

Geschwindigkeit

Koordinaten

Glossar 

Physik für Schülerinnen und Schüler

Wie alle physikalischen Begriffe musste auch der Begriff der Kraft willkürlich, aber sinnvoll definiert werden. Erst Newton definierte sinnvoll:

    Kraft soll die Ursache für eine Beschleunigung, Richtungsänderung oder Verformung sein.    

Hinweis:

Mit Beschleunigung ist ein Schnellerwerden oder ein Langsamerwerden gemeint. Vielfach werden alle drei Änderungen - Schnellerwerden, Langsamerwerden und Richtungsänderung - als Varianten einer Beschleunigung a aufgefasst, wobei Änderungen des Geschwindigkeitsvektors gemeint sind. Dann würde nur formuliert werden: Kraft soll die Ursache einer Beschleunigung oder einer Verformung sein.

Zuvor hat man unter Kraft etwas anderes verstanden, war eine andere Kraftdefinition üblich gewesen. Diese hatte sich aber nicht bewährt und erschwerte ein Verständnis von Bewegungen.

Nur, wenn eine dieser Wirkungen beobachtet wird, liegt das vor, was man seit Newton eine Kraft nennt. Eine gleichförmige Bewegung bzw. eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus benötigt in diesem Sinn keine Kraft. Das entspricht in etwa deiner Erfahrung beim Gleiten mit Schlittschuhen auf einer glatten Eisfläche oder bei einem Gleiter auf der Luftkissenfahrbahn, der, einmal angestoßen, sich noch sehr lange - fast ohne Kraft und Geschwindigkeitsänderung - weiterbewegt. Von Raumsonden, die antriebslos Millionen von km durch das Weltall fliegen, hast du das auch gehört.

Dabei geht es um die Gesamtkraft, die auf einen Körper wirkt. Es könnten auch zwei oder mehr Kräfte auf einen Körper wirken. Wenn sie sich gegenseitig aufheben würden, wäre die Gesamtkraft 0 und es würde keine dieser Wirkungen beobachtet werden. Entsprechend der Bezeichnung der Kraft in vielen Sprachen (z.B. engl. force) wird eine Kraft mit einem großen F bezeichnet. Die Kraft ist ein Vektor, d.h. sie ist durch Betrag und Richtung gekennzeichnet *). Ihre Richtung ist dabei die Richtung, in die sie einen Körper beschleunigt.

Die Kraft ist ein Vektor. Die Kraftrichtung hat mit der Bewegungsrichtung im Allgemeinen nichts zu tun. Beispiel ist der horizontale Wurf eines Steins unter dem Einfluss der Gewichtskraft, die immer senkrecht nach unten gerichtet ist, während sich der Stein auf einer gekrümmten Bahn in eine ständig andere Richtung bewegt.

Hier wird ein Stein von den Klippen ins Meer geworfen.

Die jeweilige Bewegungsrichtung ist durch die roten Geschwindigkeitspfeile angedeutet. Die Kraft FG, die Gewichtskraft, hat dabei aber immer die gleiche Richtung senkrecht nach unten. Sie bewirkt eine Richtungsänderung und eine Zunahme des Betrags der Geschwindigkeit, also eine Beschleunigung.

Das 2. Newton'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Kraft F und der Beschleunigung a, die sie bewirkt.

Ein wichtiges Detail von ihm ist, dass der Kraftvektor F immer die gleiche Richtung hat wie der Beschleunigungsvektor a, unabhängig davon, welche Richtung der Geschwindigkeitsvektor v oder die Bewegung hat. Im Wurfbeispiel ist also auch der Beschleunigungsvektor a wie die Gewichtskraft FG vertikal nach unten gerichtet. Er bewirkt, dass der Geschwindigkeitsvektor v in jedem Zeitabschnitt Δt einen Zusatzbeitrag Δv = Δt nach unten erhält, der ihn allmählich nach unten dreht und den Betrag der Geschwindigkeit vergrößert.

Die Einheit der Kraft ist F = 1 N bzw. 1 kg·m/s2 . Es wirkt eine Kraft von 1 N (gesprochen Newton), wenn ein Körper der Masse 1 kg durch diese Kraft in 1 s aus der Ruhe auf die Geschwindigkeit 1 m/s beschleunigt wird.

(Man hätte auch sagen können: "wenn diese Kraft den Körper der Masse 1 kg mit der Beschleunigung 1 m/s2 beschleunigt".)

Vorgang

Kraft im Sinne Newtons?

Wann wirkt eine Kraft ?

gleichförmige Bewegung (mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus) keine Kraft möglicherweise wurde der Körper lange vor dem betrachteten Zeitraum auf die konstante Geschwindigkeit gebracht (interessiert aber jetzt überhaupt nicht mehr)
Schnellerwerden, Langsamerwerden (Änderungen des Betrags der Geschwindigkeit) Kraft jetzt, während der Geschwindigkeitsänderung
Änderung der Bewegungsrichtung Kraft jetzt, während der Richtungsänderung
Verformung eines Körpers Kraft jetzt, während der Verformung

Bei ausgedehnten Körpern gilt dies nur, wenn die Kraft am Schwerpunkt eines Körpers angreift, oder wenn die Wirkungslinie der Kraft durch den Schwerpunkt geht. Ist das nicht der Fall, kommt es den Angriffspunkt, genauer, auf den Hebelarm, an. Dann entsteht auch ein Drehmoment, das zusätzlich noch eine beschleunigte Drehbewegung um den Schwerpunkt bewirken könnte.

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*) Zu einer vollständigen Definition der Kraft als Vektor gehören die Vektorraum-Axiome. Mit ihnen sind die verschiedensten Typen von Vektoren verträglich. Im Mathematik-Unterricht hast du vielleicht einen anderen Typ von Vektoren kennengelernt, die genauso den Vektorraum-Axiomen genügen. Leider hat man deshalb fälschlicherweise manchmal behauptet, dass Kraftvektoren keine Vektoren seien.

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( September 2013 )