Physikalische Kräfte
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Was ist eine Kraft ?
Wenn ein Körper beschleunigt, deformiert oder seine Bewegungsrichtung ändert, dann wirkt auf diesen Körper eine Kraft. Entsprechend der Beobachtung aus vielen Experimenten ist die Kraft proportional zur Beschleunigung \(a\), dabei ist die Proportionalitätskonstante die Masse \(m\) des Körpers auf dem die Kraft wirkt.
Newtonisches Gesetz:
\(F=m\cdot a\)
Wird ein Körper sich selbst überlassen, so dass keine Kräfte auf ihn wirken, dann bewegt er sich gradlinig und gleichförmig. Man nennt diesen Zusammenhang auch Trägheitsprinzig. Ein Körper auf dem keine Kraft wirkt, bleibt in Ruhe oder bewegt sich gradlinig mit konstanter Geschwindigkeit.
Die Einheit von Kraft wird in Newton angegeben. Ein Newton ist die benötigte Kraft um einen Körper der Masse \(m=1kg\) um einen Meter pro Quadratsekunde zu beschleunigen.
Einheit der Kraft:
\(F\,\,[N]=m\cdot a\,\,[kg\cdot \frac{m}{s^2}]\)
\(1N=\frac{1kg\cdot m}{s^2}\)
Newtonische Gesetze
Die Basis der Mechanik beruht auf die Newtonischen Gesetze, sie wurden im Jahr 1687 vom Isaac Newton niedergeschrieben.
Das 1. Newtonische Gesetzt "Trägheitsgesetz"
Damit ein Körper seinen Bewegungszustand ändert, d.h seine Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit ändert, ist stets eine Kraft nötig. Die Ursache dafür liegt in der Trägheit jedes Körpers.
"Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewgung, solange keine äußeren Kräfte an ihm wirken."
Wenn sich ein Körper mit einer konstanten Geschwindigkeit \(v\) gradlinig bewegt, dann behält der Körper seine Geschwindigkeit und seine Bewegungsrichtung solange bis eine Kraft auf ihn Wirk und seinen Bewegungszustand ändert.
Im Alltag sind wir gewohnt das ein Körper auch von selbst zum Stillstand kommt, dass liegt zu einem Großteil an Reibungskräften und dem Luftwiderstand. Im Welltall wo ein Vakkum herrscht (Luftleerer Raum) ist keine Reibung vorhanden. Ein Körper wird dort, solange keine Kräfte auf ihn wirken, für immer seine Bewegungsrichtung und seine Geschwindigkeit beibehalten.
Das 2. Newtonische Gesetzt "Kraftgesetz"
Eine Kraft ist die Ursache dafür das ein Körper seine Geschwindigkeit, seine Bewegungsrichtung oder seine Form ändert.
Die Größe einer Kraft \(F\) ist proportional zu der Beschleunigung \(a\), die ein Körper der Masse \(m\) erfährt.
\(F=m\cdot a\)
Man gibt Kräften mit der Einheit Newton N an.
\(1N=1\cdot \frac{kg\cdot m}{s^2}\)
Einige Beispiele:
Ein Körper der Masse \(m=1kg\) erfährt duch eine Kraft von \(1N\) eine Beschleunigung von \(1\frac{m}{s^2}\). Sind Reibungskräfte involviert, dann benötigt man eine größer Kraft als \(1N\) um diesen Körper auf die gleiche Weise zu beschleunigen..
Auf der Erde entspricht \(1N\) der Gewichtskraft eines \(100g\) schweren Körpers.
Kräfte haben unterschiedliche Ursachen und werden desshalb nach ihrer Ursache benannt. Beispiele sind Muskelkraft, Zugkraft, Federkraft, Magnetkraft, Druckkraft, Verformungskraft, Antriebskraft, etc.
Das 3. Newtonische Gesetzt "Kraft und Gegenkraft"
Kräfte kommen immer paarweise auf, zu jeder Kraft wirkt immer eine gleich große Gegenkraft. Kraft und Gegenkraft haben entgegengesetzte Richtungen.
\(F_{A\rightarrow B}=-F_{B\rightarrow A}\)
Messen von Kräften
Kräfte können mit unterschiedlichen Messverfahren gemessen werden. In der Schule misst man Kräfte häufig mit Federkraftmessern. Die Kraft kann dann direkt an der Skala des Federkraftmessers abgelesen werden.
Ein Federkraftmesser besteht aus einer elastischen Feder, einer Skala und einer Nullpunktseinstellung. Wir ein Körper an die Feder gehängt, dann dehnt sich die Feder aus. Je höher die Masse des Körpers ist, desto größer wird die Ausdehnung der Feder. Die Dehnung der Feder ist Maß für den Betrag der Gewichtskraft. Die Gewichtskraft kann direkt an der Skala abgelesen werden.
Je nachdem wie hart die eingebaute Feder ist, können unterschiedliche Messbereiche verwendet werden. Eine Sehr feine Feder kann durch ein sehr leichten Körper verformt werden, mit einer feinen Feder können also kleine Kräfte gemessen werden. Eine harte Feder wird erst durch eine große Kraft zur Auslenkung gebracht, mit einer harten Feder können größer Kräfte gemessen werden.
Die Härte einer Feder wird meist mit der sogenannten Federkonstante \(D\) gekennzeichnet.