Kraftarten

Kraftarten Übung

• Fasse die wichtigsten Informationen zum Begriff Kraft zusammen.

  Tipps

  Eine Kraft erkennst du nur an ihrer Wirkung auf einen Körper.

  Um eine Kraft vollständig zu beschreiben, brauchst du neben einem Zahlenwert und einer Einheit noch eine weitere wesentliche Information.

  Lösung

  Die physikalische Größe Kraft ist ziemlich abstrakt, weil man die Kraft selbst nicht sehen kann. Um sie zu definieren, muss man sie daher durch ihre Wirkung auf andere Objekte beschreiben. Wird ein Körper beschleunigt oder verformt, ist dieses Verhalten auf eine Kraft zurückzuführen. Es gibt auch Fälle, in denen der Körper keine Veränderung zeigt, aber dennoch Kräfte wirken. Dann liegt ein Kräftegleichgewicht vor.

  Die Kraft ist eine vektorielle Größe. Das heißt, dass der Betrag und die Richtung angegeben werden müssen. Um Kräfte „sichtbar“ zu machen, werden sie daher in Zeichnungen durch Pfeile dargestellt. Die Länge des Pfeils entspricht der Stärke der Kraft, die in Newton angegeben wird. Für das Wirken einer Kraft ist es außerdem wichtig, deren Richtung mit Hilfe der Pfeilspitze anzugeben.

• Sortiere die Kraftarten in mechanische und nichtmechanische Kräfte.

  Tipps

  Stell dir zu jeder Kraftart ein Beispiel vor: Ist zwischen Kraftursache und dem Objekt, auf das die Kraft wirkt, ein direkter Kontakt notwendig oder nicht?

  Lösung

  Bei mechanischen Kräften ist ein direkter Kontakt zwischen der Kraftursache und dem Objekt, auf das die Kraft wirkt, notwendig. Es gibt also immer zwei Komponenten, die sich berühren müssen: Eine Person, die einen Gegenstand schiebt (Schubkraft), ein Gegenstand, der sich über eine Oberfläche bewegt (Reibungskraft), eine Schraubenfeder, die mit einer Hand auseinander gezogen wird (Zugkraft) oder die Haut eines Luftballons, die durch die Luft im Inneren nach außen gedrückt wird (Druckkraft) usw.

  Nichtmechanische Kräfte wirken hingegen ohne direkten Kontakt auch über größere Entfernungen. Dazu zählen unter anderem alle anziehenden oder abstoßenden Kräfte zwischen zwei Objekten, die durch Masse (Gravitationskraft) bzw. Ladung oder Magnetisierung (Elektromagnetische Kraft) hervorgerufen werden. Diese Kräfte gehören zu den fundamentalen Wechselwirkungen.

• Erkläre die Bewegungen des Sportwagens mit Hilfe der auftretenden Kräfte.

  Tipps

  Nicht alle mechanischen Kraftarten werden in diesem Beispiel benötigt. Dafür brauchst du einige mehrmals.

  In diesem Beispiel geht es um die mechanischen Kraftarten, die die Bewegung eines Körpers beeinflussen.

  Lösung

  In diesem Beispiel werden zwei mechanische Kraftarten berücksichtigt, die die Bewegung eines Körpers - hier des Sportwagens - beeinflussen.

  Durch die Schubkraft des Motors kann der Wagen beschleunigt werden. Sobald sich der Wagen bewegt, wirkt zusätzlich eine Reibungskraft zwischen Rädern und Straße. Diese Rollreibungskraft hat immer eine bremsende Wirkung auf den Rennwagen. Sie ist jedoch in der Regel nicht so stark wie die Schubkraft des Motors. Beim Beschleunigen überwiegt daher die Schubkraft die Reibungskraft. Gibt der Fahrer kein Gas mehr, kommt der Wagen durch die Reibungskraft langsam zum Stehen. Um dieser Verlangsamung entgegenzuwirken, kann der Fahrer leicht Gas geben, sodass die Schubkraft des Motors die Reibungskraft aufhebt.

• Ergänze die Informationen zu dem Versuch mit einer Schraubenfeder.

  Tipps

  Die Länge eines Kraftpfeils symbolisiert die Größe der Zugkraft.

  Wähle für den kürzesten Pfeil die kleinste Kraft aus.

  Vergleiche die Länge der anderen Kraftpfeile mit der Länge des kürzesten Pfeils und wähle dann den jeweils passenden Zahlenwert für die Zugkraft aus.

  Lösung

  Die Länge des Kraftpfeils ist ein Maß für die Stärke bzw. den Betrag der wirkenden Kraft. Man kann dann ganz allgemein sagen: Ein längerer Pfeil stellt eine größere Kraft dar als ein kürzerer Pfeil. Man kann jedoch auch noch präziser werden: Ist zum Beispiel ein Pfeil genau doppelt so lang wie ein anderer Pfeil, ist die Kraft auch genau doppelt so groß. In den Abbildungen sind die Pfeile doppelt, dreimal oder viermal so lang wie der kleinste Kraftpfeil. Entsprechend kannst du dann auch ihre genaue Größe angeben, sobald du einen Zahlenwert kennst. In manchen Zeichnungen wird zusätzlich noch ein Maßstab angegeben. Dann kannst du über das Ausmessen der Pfeillänge die Größe der Kraft bestimmen.

• Ordne die Beispiele der jeweils wirkenden mechanischen Kraftart zu.

  Tipps

  Im Namen der Kraftart "versteckt" sich jeweils ein kleiner Hinweis auf das passende Beispiel.

  Lösung

  Die aufgeführten Beispiele sind typisch für die vier mechanischen Kraftarten, die im Video vorgestellt wurden. Bei der Zuordnung ist es hilfreich, sich zu überlegen, ob die wirkende Kraft eine Bewegungsänderung des Körpers herbeiführt. Dann kann es sich um eine Schub- oder Reibungskraft handeln. Schubkräfte beschleunigen einen Körper, Reibungskräfte verlangsamen seine Bewegung. Führt die wirkende Kraft hingegen zu einer Verformung des Körpers, können Druck- oder Zugkräfte die Ursache sein. Bei Druckkräften wirkt die Kraft dabei im Gegensatz zur Zugkraft meist auf eine große Fläche ein und greift nicht nur in einem Punkt an.

• Sage das Verhalten des Luftballons voraus.

  Tipps

  Der Luftdruck im Inneren des Ballons bleibt immer gleich.

  Lösung

  Bei diesem Gedankenexperiment ändern sich die Druckverhältnisse außerhalb des Ballons. Je nachdem, wie sich der Außendruck ändert, verändert sich auch die Form des Luftballons. Wird der Druck außerhalb des Ballons höher, pressen die dadurch auftretenden Kräfte den Ballon von außen zusammen. Nimmt der Druck hingegen ab, drücken die Kräfte von Innen den Ballon auseinander.