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SG007 Kraft F

© H. Hübel Würzburg 2013

Geschwindigkeit

Koordinaten

Glossar 

Physik für Schülerinnen und Schüler

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Wie alle physikalischen Begriffe musste auch der Begriff der Kraft willkürlich, aber sinnvoll definiert werden. Erst Newton gelang das vor ca. 350 Jahren:

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 vereinfachend formuliert werden:

    Kraft soll die Ursache einer Beschleunigung oder einer Verformung sein.  

Zuvor, bis ins 17. Jahrhundert, 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.


Ein Körper bewegt sich in der Regel nicht in die Richtung der Kraft. 

Kraft(vektor) und Geschwindigkeit(svektor) sind in der Regel nicht gleich gerichtet.


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

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.

    Kraft(vektor) und Beschleunigung(svektor) sind immer gleich gerichtet.    


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

Mit "Kraft im Sinne Newtons" ist immer die Gesamtkraft gemeint. Bei einer gleichförmigen Bewegung kommt es z.B. vor, dass eine Antriebskraft durch eine Reibungskraft aufgehoben wird, so dass die Gesamtkraft 0 ist.

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 bei der Wirkung auf den Angriffspunkt, genauer, auf den Hebelarm, an. Dann entsteht auch ein Drehmoment, das zusätzlich noch eine beschleunigte Drehbewegung um den Schwerpunkt bewirken könnte.

Kraft(vektor) und Beschleunigung(svektor) sind immer gleich gerichtet. Wenn du aber selbst beschleunigt wirst, verspürst du eine Trägheitskraft oder Scheinkraft, die entgegengesetzt zur Beschleunigung zu wirken scheint. Sie ist nicht gemeint, wenn von einer Kraft als Ursache einer Beschleunigung oder einer Verformung gesprochen wird.

In der Umgangssprache wird "Kraft" inkorrekt in scheinbar physikalischen oder technischen Zusammenhängen gebraucht. So ist von Kraftwerken, Wasserkraft, Atomkraft, Kernkraft etc. die Rede. Es handelt sich meist um veraltete Bezeichnungen für Energie oder Elektrizität. Also "Kraftwerk" heißt eigentlich Elektrizitätswerk, "Wasserkraft" heißt Energie aus strömendem Wasser. "Atomkraft" ist doppelt veraltet, denn erstens handelt es sich nicht um Kraft, sondern um Energie, zweitens hat man früher, vor Jahrzehnten Energie aus Atomen so genannt. Heute präzisiert man diese Energie als Kernenergie, weil sie aus den Atomkernen kommt. Ein anderes Wort dafür ist Nuklearenergie. Was man früher als Atomkraftwerk bezeichnet hat, heißt seit vielen Jahrzehnten Kernkraftwerk oder Nuklearenergieanlage. Nur die Gegner von Kernenergie bezeichnen Nuklearenergieanlagen heute noch als AKW (Atomkraftwerk), eine neutrale Abkürzung ist KKW (Kernkraftwerk). "Kernkraft" ist auch die korrekte Bezeichnung für die Kraft, die die Bestandteile des Atomkerns zusammenhält. "Energie aus Atomen" passt heutzutage eher auf Solaranlagen (Photovoltaikanlagen), weil dort Sonnenenergie durch atomare Vorgänge in elektrische Energie umgewandelt wird. Ohne Atomphysik hätte man Solarzellen für "grüne", erneuerbare Energie nicht erfinden können. Auch auf Wasserkraftwerke würde eher die Bezeichnung "Atomkraftwerke" passen, weil sie die Energie strömender Atome in den Wassermolekülen nutzen.

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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 haben manche Schulbuchautoren deshalb fälschlicherweise behauptet, dass Kraftvektoren keine Vektoren seien.


Warnung:

In meiner Suchmaschine fand ich neulich zum Thema einen Eintrag gemäß dem nachfolgenden Bild. Leider hast du damit keine Chance, ein Einserschüler zu werden. Die Sachverhalte werden völlig falsch erklärt.

Seit Newton weiß man nämlich, dass eine Kraft nicht die Ursache für eine Bewegung ist, sondern für eine Beschleunigung oder Verformung.

 


Oh nein!!! Auch im Remake:

            https://www.youtube.com/watch?v=RpX85Gt9Jrg

ist dieser Fehler enthalten:


Auch das Tauziehen ist im Video völlig falsch erklärt.

( September 2013; September 2023 ergänzt )