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Kraft = Masse mal Beschleunigung
Kraft ist eine physikalische Größe, die nur an ihrer Wirkung zu erkennen ist. Kraft ist Masse mal Beschleunigung
Eine Kraft gibt an, wie stark zwei Körper aufeinander einwirken. Die Kraft ist eine Wechselwirkungsgröße und eine gerichtete (vektorielle) Größe. Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von ihrem Betrag, von ihrer Richtung und von ihrem Angriffspunkt.
Formelzeichen:
Einheit: ein Newton (1 N)
Man unterscheidet unter anderem elektrische Kräfte, magnetische Kräfte, Reibungskräfte, Gewichtskräfte, Adhäsionskräfte und Kohäsionskräfte.
Zusammensetzung von Kräften
Wenn auf einen Körper zwei Kräfte wirken, so setzen sich diese Teilkräfte vektoriell zu einer resultierenden Kraft zusammen. Die resultierende Kraft, kurz auch Gesamtkraft oder Resultierende genannt, kann rechnerisch oder zeichnerisch ermittelt werden. Der Betrag der resultierenden Kraft hängt vom Betrag der beiden Teilkräfte und vom Winkel zwischen ihnen ab. Alle möglichen Fälle sind in der Übersicht zusammengestellt
Trägheit: Eigenschaft eines Körpers in Ruhe oder in geradliniger gleichförmiger Bewegung zu bleiben, wenn keine Kräfte einwirken (z.B.: Vollbremsung bei Fahrzeugen. Video: Crashtest)
Gravitation:
Massenanziehung. Die Anziehung die 2 Körper aufgrund ihrer Masse aufeinander ausüben. Ständig wirkende Kraft (jeder Körper zieht an).
Schwerkraft (Gravitation eines Planeten):
Ursache für Gewicht. Ein Körper wird aufgrund der Anziehungskraft eines Planeten zum Boden hingezogen (je größer die Masse des Planeten, desto größer die Gravitation). Auch bei der Erde. Ständig wirkende Kraft (Gegenkraft: Fliehkraft)
Gewichtskraft:
Gibt an mit welcher Kraft ein Körper auf eine ruhende waagrechte Unterlage drückt. Abhängig von Masse und Ort. Beispiel: 1kg Masse auf Erde 10 Newton, auf Mond 1,6N. auch abhängig von Höhe.
Je größer die Masse eines Körpers ist, umso größer ist auch seine Gewichtskraft. Sie kann berechnet werden mit der Gleichung: FG = Gewichtskraft
m = Masse
g = Fallbeschleunigung
Fliehkraft (Zentrifugalkraft):
Kraft, die der Richtungsänderung eines bewegten Körpers entgegenwirkt. Wenn ein Körper mit einer gewissen Geschwindigkeit im Kreis bewegt wird, wirkt die Fliehkraft vom Drehmittelpunkt nach außen. Der Körper fällt er nicht, wie ruhende Körper aufgrund der Schwerkraft zu Boden. Ist eine Auswirkung einer Trägheit. (z.B.: beim Kurven fahren fällt man auf die Seite, Ringelspiel, Prater)
Radialkraft (Zentripetalkraft):
Hält einen Körper auf der Bahn. Gegenkraft der Fliehkraft. Hält Körper auf der Bahn (wirkt zum Kreismittelpunkt). Entspricht entweder der Schwerkraft eines Planeten, der Sonne etc. (z.B.: Satelliten, wenn Zentrifugalkraft und Zentripetalkraft gleich groß sind, bleibt der Satellit auf seiner Bahn = Orbit; auch bei Monden, Planeten) oder jener Kraft, die beim Hammerwerfen vom Sportler aufgewendet wird, um den Hammer in einer Kreisbewegung zu halten. Indem der Sportler den Hammer loslässt, fällt die Zentripetalkraft weg und der Hammer wird durch die Zentrifugalkraft weggeschleudert.
Reibungskraft:
äußere Reibung: hemmende Kraft, entsteht, wenn 2 Körper aneinander gleiten (Gleitreibung), rollen (Rollreibung) oder haften (Haftreibung: Körper bewegt sich nicht). Reibt man zwei Körper aneinander, entsteht Energie, die in Wärme freigegeben wird. (z.B.: Vollbremsung, Hände schnell reiben, Fahrrad durch Sand Versuch: Körper auf schiefer Ebene)
innere Reibung: entsteht bei Wellen, Wasser-, Luftströme, Wind etc. Teilchen von einer Flüssigkeit oder von einem Gas reiben aneinander; die Stoffe werden in Bewegung gebracht.
Magnetismus (Anziehungs- und Abstoßungskraft):
(Beispiel: Magnet)
Atomkraft (Kernkraft):
Die in Atomkernen enthaltene Energie, die freigesetzt werden kann. Die Energiegewinnung erfolgt mittels Kernspaltung in Kernreaktoren. Gewinnung meist aus Uran oder Plutonium. Nachteil: radioaktiver Restprodukte. Kernenergie ist die in Atomkernen enthaltene Energie. Nutzung der Kernenergie mittels Kernspaltung.
Elektrizitätskraft:
Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. In Körper sind positive und negative Ladungen gleichmäßig verteilt und heben sich in ihrer Wirkung nach außen hin auf, sie neutralisieren sich. Durch Reiben können sie voneinander getrennt werden. Versuche: Kunststoff an etwas reiben, zieht dann Styroporkugeln an; Hartgummistab an Wolllappen reiben (wird positiv geladen) und zieht negative Ladungen an.
Adhäsionskraft:
Kraft zwischen Teilchen verschiedener Stoffe (z.B.: Kreide auf Tafel, Farbe auf Wand, Leim auf Holz, Flüssigkeit in Gefäß am Rand höher als in Mitte, je dünner desto höher)
Kohäsionskraft:
Kraft zwischen Teilchen eines Stoffe, bewirkt Festigkeit eines Körpers, bei festen Körpern am größten, bei flüssigen kleiner und bei gasförmigen am kleinsten. z.B.: Wasser in Wassertropfen, Quecksilber in Kugeln
Auftrieb:
entsteht durch Druckkraft von Flüssigkeiten oder Gasen. Wirkt Gewichtskraft entgegen.
Statischer Auftrieb
Befindet sich ein Körper in einer Flüssigkeit oder in einem Gas, so verringert sich scheinbar seine Gewichtskraft. Das kann man experimentell einfach nachweisen, indem man einen Körper an einem Federkraftmesser befestigt, seine Gewichtskraft bestimmt und den Körper anschließend ins Wasser taucht. Am Federkraftmesser wird dann eine deutlich kleinere Kraft als die Gewichtskraft angezeigt. In der Flüssigkeit bzw. in dem Gas muss also der Gewichtskraft des Körpers eine Kraft entgegenwirken. Diese Kraft nennt man Auftriebskraft, die Erscheinung selbst Auftrieb.
Das archimedische Gesetz
Die Auftriebskraft an einem Körper ist umso größer, je größer sein eingetauchtes Volumen ist. Gleichzeitig verdrängt der eingetauchte Körper mit seinem Volumen ein genauso großes Volumen Flüssigkeit. Die verdrängte Flüssigkeit hat eine bestimmte Gewichtskraft, die umso größer ist, je größer ihr Volumen ist. Damit ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Auftriebskraft an einem Körper und der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeit bzw. des verdrängten Gases. Dieser Zusammenhang wird durch das archimedische Gesetz beschrieben. Es lautet:
Für einen Körper, der sich in einer Flüssigkeit oder in einem Gas befindet, gilt: Die auf den Körper wirkende Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeits- bzw. Gasmenge.
Dieses Gesetz wurde zuerst von ARCHIMEDES von Syrakus
(287 v. Chr. - 212 v. Chr.) entdeckt. Die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit ist von deren Masse abhängig. Die Masse einer Flüssigkeit oder eines Gases ist wiederum von Dichte und Volumen abhängig, so dass man auch formulieren kann:
Die Auftriebskraft ist umso größer,
je größer das verdrängte Flüssigkeits- oder Gasvolumen ist und
je größer die Dichte des verdrängten Stoffes ist.
Versuch: einen an einer Federwaage befestigten Körper ins Wasser tauchen.
Bedeutung des Auftriebs
Die Bedeutung des Auftriebs besteht vor allem darin, dass von ihm abhängig ist, ob ein Körper in Wasser oder in Luft sinkt, schwebt, steigt oder schwimmt. Das spielt in vielen Bereichen von Natur, Technik und Alltag eine Rolle, was die nachfolgenden Beispiele zeigen.
Für Fische ist es günstig, wenn sie unter Wasser schweben, also weder von selbst nach oben steigen noch nach unten sinken. Das wird durch die Schwimmblase erreicht. In ihr befindet sich soviel Luft, dass die Auftriebskraft genauso groß ist wie die Gewichtskraft.
Bei Schiffen muss die Konstruktion so erfolgen, dass sie sicher schwimmen. Damit das der Fall ist, muss die Auftriebskraft so groß sein, dass das Schiff auch bei voller Beladung genügend weit aus dem Wasser ragt.
Beim Schwimmen in verschiedenen Gewässern kann man feststellen, dass der Auftrieb davon abhängig ist, ob das Wasser salzhaltig ist oder nicht. In Salzwasser ist der Auftrieb deutlich größer als in Süßwasser. Das Schwimmen fällt dort leichter. Das hängt damit zusammen, dass die Dichte von Salzwasser größer ist als die von Süßwasser und damit bei gleichem Körpervolumen die Auftriebskraft in Salzwasser größer ist als die in Süßwasser.
Auch für den Transport von Samen, das Fliegen von Heißluftballons und Luftschiffen, das Fahren von U-Booten oder das Tauchen ist der Auftrieb von entscheidender Bedeutung.
Dynamischer Auftrieb
entsteht bei bewegten Körpern durch Strömungsunterschiede zwischen Ober- und Unterseite. (z.B.: Tragflügel eines Flugzeugs)
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