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Physik - Die Kraft

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Die Kraft ist eins der zentralen Phänomene der Physik. Ihre Klassische Definition bezieht sich auf die Beschleunigung, die ein beweglicher Körper durch ihre Einwirkung erfährt. Neben der Beschleunigung bewirken Kräfte auch Verformungen an Körpern, auf die sie einwirken.

Mathematisch gesehen sind Kräfte Vektoren. Das heißt, sie haben einen Betrag und eine Richtung. Eine Kraft, die in ihrer Wirkrichtung die Bewegung eines Körpers verursacht, leistet Arbeit.

Zusammenhang zwischen Kraft und Energie

Für das Aufbringen solcher Kräfte ist daher Energie notwendig, die dem beschleunigten oder deformierten Körper zugeführt wird. Zum Beispiel können Sie eine Feder durch eine Kraft zusammendrücken, wobei sie Energie aufnimmt, die sie beim Nachlassen der Kraft wieder frei gibt. Diese Kraft trägt, wie eine Reihe weiterer spezifischer Kräfte, einen speziellen Namen in der Physik: Die Federkraft bzw. Spannkraft.

Nicht alle Kräfte sind allerdings mit einem Energieaustausch verbunden. Kräfte die keine Arbeit leisten sind zum Beispiel Haltekräfte, die ein Bewegung verhindern, aber auch Führungskräfte, weil bei ihnen die Kraftrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt. Aus diesem Grund werden Brücken in der Regel zumindest einseitig auf Rollen gelagert, denn an einem solchen Loslager treten, unter Vernachlässigung der Reibung, ausschließlich Führungskräfte auf.

Die Einheit der Kraft

Das internationale Einheitensystem misst die Kraft in Newton, das ist eine zusammengesetzte Einheit aus den Basiseinheiten Kilogramm, Meter und Sekunde. Die Definition lautet:

 Kraft - Einheit

In Formeln werden Kräfte meist mit einem großen F notiert, beispielsweise:

 Kraft in der Physik

F - Beschleunigungskraft [N]
m - Masse [kg]
a - Beschleunigung [m/s2]

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Wirkung einer Kraft

Die Wirkung einer Kraft kann unterschiedlich in Erscheinung treten:

  • Eine Kraft kann die Bewegungsrichtung eines Körpers ändern
  • Eine Kraft kann die Geschwindigkeit eines Körpers ändern
  • Kräfte können andere Objekte zum Beispiel beim Aufschlag verformen
  • Eine Kraft wirkt in eine bestimmte Richtung (Stichwort: Vektor)

Arten von Kräften

Die Geschichte der Kraft als physikalischer Einheit

Den modernen Kraftbegriff der Physik führte der Engländer Sir Isaac Newton im 17. Jahrhundert mit seinen drei Bewegungsgesetzen ein. Er erkannte die Kraft als Ursache für die Änderung des Bewegungszustands eines Körpers, was sich in seiner Definition der Kraft als Änderung des Impulses über der Zeit widerspiegelt. Ebenfalls auf Newton geht die bedeutsame Erkenntnis zurück. dass jede Kraft, die ein Körper auf einen anderen ausübt, eine gleich große, aber entgegengesetzte Gegenkraft verursacht. Dies ist eine Grundlage der Statik, die Belastungen in Tragwerken über das Gleichgewicht der angreifenden Kräfte berechnet.

Das Kräftegleichgewicht

Für die Betrachtung des Gleichgewichts von Kräften ist ihre Vektoreigenschaft von Bedeutung. Ein Kräftegleichgewicht liegt vor, wenn die Vektorsumme aller äußeren Kräfte an einem Körper Null ist.

∑Fi = 0      Die Summe aller Kräfte ergibt Null

In einem zweidimensionalen Modell können Sie sich dies veranschaulichen, indem Sie die Kräfte als Pfeile eintragen, deren Länge dem Betrag der Kraft entspricht. Wenn Sie diese Pfeile so aneinander fügen, dass jeweils ein Pfeilende an der Spitze eines anderen zu liegen kommt, ergibt sich bei einem Kräftegleichgewicht ein geschlossener Polygonzug.

Kräftegleichgewicht - Kraftvektor
Kräfte an einem Punkt (links) werden zu einem Polygonzug zusammengeführt (rechts) => Kräftegleichgewicht

Im Kräftegleichgewicht ändert ein Körper seinen Bewegungszustand nicht, das heißt, er ist in Ruhe oder bewegt sich mit unveränderter Geschwindigkeit und Richtung fort. Der Bewegungszustand ändert sich auch bei einer Kreisbewegung mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit nicht, obwohl sie eine gleichförmig beschleunigte Bewegung darstellt. Aber auch bei der Rotation wirkt die Zentripetalkraft, die den Körper in die Kreisbahn zwingt, immer senkrecht zur Bewegungsrichtung.

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