Physikalische Kraft

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Physikalische Kraft - Einleitung
• Federkraft
• Reibungskraft
• Gewichtskraft

Physikalische Kraft - Einleitung

Wirkt eine Kraft F auf einen Körper, so wird er beschleunigt, deformiert oder ändert seine Richtung. Es können prinzipiell alle Folgen gleichzeitig eintreten. Entsprechend der Erfahrung ist die beobachtete Beschleunigung a proportional zu F:

Ein sich selbst überlassener Körper, auf den keine resultierende Kraft wirkt, bewegt sich geradlinig und gleichförmig. Dieser Zusammenhang wird als Trägheitsprinzip beschrieben.

Die Kraft wird in Newton angegeben. Ein Newton entspricht gleich der Kraft, die aufgewendet werden muss, um einen Körper mit einer Masse m von einem Kilogramm um einen Meter pro Sekunde Quadrat zu beschleunigen. Die Addition von Kräften erfolgt nach den Regeln der Vektoraddition. Die Zerlegung von Kräften ist die Umkehrung der Kräfteaddition.

Federkraft

Wenn du einen Körper an einer Feder aus der Ruhelage bewegst, dann wirkt eine rücktreibende Kraft auf ihn, die sogenannte Federkraft:

Der Faktor x beschreibt hier die Ablenkung des Körpers von der Ruhelage. Das D steht für die Federkonstante, ein charakteristischer Wert einer Feder, der die Federhärte oder -steifigkeit beschreibt. Das Minuszeichen zeigt an, dass F und x in entgegengesetzte Richtungen weisen. Unter der Wirkung der Federkraft F führt ein Körper harmonische Schwingungen aus. Dann gilt:

Reibungskraft

Reibungskraft tritt in Natur und Technik sehr häufig auf. Aufgrund der Reibung bleibt die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie zumeist unvollständig, da hierbei ein Teil der Energie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Ursache für die Reibung ist das „Haften“, „Gleiten“ und „Rollen“ der Moleküle an- und aufeinander.

Die Reibungskraft F ist einer Kraft entgegengesetzt, die einen Körper über eine Oberfläche bewegt. Die Reibungskraft ist dabei unabhängig von der Geschwindigkeit des Ziehens und von der Größe der Kontaktfläche zwischen Körper und Oberfläche:

F(N) ist die Normalkraft, das heißt jene Kraft, die die beiden Flächen senkrecht aufeinander drückt. Die Reibungszahl μ hängt von der Beschaffenheit der beiden Oberflächen ab.

Es gibt verschiedene Arten der Reibung: die Haftreibung, die Gleitreibung und die Rollreibung. Die Haftreibung (Ruhereibung) tritt auf, solange beide Flächen sich noch nicht gegeneinander bewegen. Es handelt sich dabei um die Kraft, die man aufwenden muss, um einen Körper in Bewegung zu setzen. Die Gleitreibung beginnt, sobald die Haftreibung überwunden ist. Sie ist kleiner als die Haftreibung. Rollreibung tritt auf, wenn zwei Oberflächen aufeinander abrollen. Die Rollreibungszahl hängt ab vom Material und vom Durchmesser des rollenden Körpers. Sie ist kleiner als die Gleitreibung.

Gewichtskraft

Auch mit der Gewichtskraft hast du es im Alltag ständig zu tun. Sie zieht dich in Richtung Erdoberfläche und bringt dich zum Fallen, wenn du nicht aufpasst. Wird ein Körper weder gehalten noch gestützt, so führt er aufgrund der Gewichtskraft F eine beschleunigte Fallbewegung aus. Zwischen der Fallbeschleunigung g, der Masse m und der Gewichtskraft F gilt der folgende Zusammenhang:

Die Fallbeschleunigung (Erdbeschleunigung) g hat auf der Erde einen Wert von etwa 9,81 m/s². Je nach Aufenthaltsort verändert sich der Wert der Fallbeschleunigung (Erdbeschleunigung) geringfügig. An den Polen ist sie größer als am Äquator. Mit zunehmender Höhe nimmt die Fallbeschleunigung (Erdbeschleunigung) ab. Auf anderen Himmelskörpern bestehen andere Fallbeschleunigungen. Daher wird sie auch Ortsfaktor genannt. Eine Folge der Gewichtskraft F ist, dass die Unterlage unter einem Körper geringfügig verformt wird. Die bei der Verformung der Oberfläche nach oben wirkende Kraft F steht dabei im Gleichgewicht mit der Gewichtskraft.