4.1 Kraft und Wirkung

Für die Turnübung in Bild 4.2 heißt human flag. Du wirst mir vermutlich zustimmen, wenn ich behaupte, dass zur Ausführung jede Menge Kraft notwendig ist.

Muskelkraft

Bild 4.2: Muskelkraft

Aber was genau ist Kraft? In diesem Kapitel geht es um die Begriffe Kraft und Wirkung in der Physik.

4.1.1 Auswirkungen von Kräften

Vermutlich hat jeder von uns eine intuitive Vorstellung von Kraft. Mit dem Wort „Kraft“ verbinden die meisten Menschen die Muskelkraft ihres Körpers. In Bild 4.3 siehst zwei typische Auswirkungen (kurz Wirkungen), wenn du deine Muskelkraft auf einen Gegenstand ausübst.

Wirkungen von Kräften: Formänderung und Bewegungsänderung

Bild 4.3: Wirkungen von Kräften: Formänderung und Bewegungsänderung

In der Mechanik können wir drei Wirkungen von Kräften unterscheiden:

  • Bewegungsänderung (zum Beispiel beim Schlag auf einen Ball)
  • Formänderung (zum Beispiel beim Zusammendrücken einer Getränkedose)
  • Änderung der mechanischen Spannung (zum Beispiel beim Ziehen an einem Seil)

4.1.2 Physikalische Kraft

Nach der Modellvorstellung in der Physik wird jede beobachtbare Wirkung (4.1.1) durch eine (physikalische) Kraft (engl. force) verursacht. Kräfte in der Physik dienen also dazu, Wirkungen auf Körper zu beschreiben und vorherzusagen. Kräfte lassen sich nicht direkt beobachten, sondern nur über ihre Wirkungen.

Beispiel für eine physikalische Kraft

Bild 4.4: Beispiel für eine physikalische Kraft

Jede Kraft hat eine Größe und eine Richtung. Sie kann daher mathematisch durch einen Vektor (Pfeil) beschrieben werden. Das Formelsymbol für eine allgemeine Kraft ist \(\vec{F}\). Die Stelle, an der eine Kraft an einem Körper wirkt, wird Angriffspunkt der Kraft (engl. point of application) genannt. Die mathematische Definition von Kraft findest du etwas später im Dynamisches Grundgesetz (4.2.4).

4.1.3 Messung von Kräften

Da wir keine Kräfte, nur deren Wirkungen, beobachten können, verwendet jede Kraftmessung die Wirkungen die eine Kraft hervorruft.

Der in Bild 4.5 dargestellte Federkraftmesser (engl. spring scale) ist eines der ältesten Messinstrumente für Kräfte. Er verwendet die Wirkung der Formänderung einer Schraubenfeder für die Messung einer Kraft. Je größer die Kraft, desto größer die Dehnung der Feder. Den genauen Zusammenhang zwischen Kraft und Formänderung findest du im Kapitel Federkraft.

Federkraftmesser

Bild 4.5: Federkraftmesser

4.1.4 Beispiele von Kräften

Kräfte werden meistens danach benannt, bei welchen Phänomenen sie auftreten. Wir unterscheiden zum Beispiel

Auch wenn die Kräfte unterschiedliche Namen tragen, steckt in vielen Fällen derselbe physikalische Sachverhalt dahinter. Zum Beispiel ist die Hangabtriebskraft nur ein Teil der Gewichtskraft.

4.1.5 Normalkraft

Übst du Kraft auf eine feste Oberfläche aus, stellst du fest, dass die Oberfläche eine Gegenkraft erzeugt (4.6, a). Sie ist gleich groß wie deine Kraft, zeigt aber in entgegengesetzter Richtung. Erhöhst du die Kraft, wächst auch die Gegenkraft der Oberfläche (4.6, b).

Kraft und Gegenkraft bei einer Oberfläche

Bild 4.6: Kraft und Gegenkraft bei einer Oberfläche

Der Ursprung dieser Gegenkraft ist jene Kraft, die Atome und Moleküle der Oberfläche zusammenhält. Dabei handelt es sich um die elektrischen Kraft (12.1), wie du im Kapitel über chemische Bindungen (??) erfahren wirst. Erhöhst du deine Kraft über die Festigkeit des Materials hinaus, bricht das Material. In diesem Moment verschwindet sofort deine Kraft, als auch die Gegenkraft der Oberfläche (4.6, c).

Die Gegenkraft einer Oberfläche steht immer normal (im rechten Winkel) zu ihr. Sie wird daher auch als Normalkraft (engl. normal force) bezeichnet. Handelt es sich bei der Oberfläche um den Boden, wird diese Gegenkraft auch als Bodenkraft (engl. ground reaction force) bezeichnet.

Und wenn du nicht normal auf die Oberfläche drückst? In diesem Fall kommt es zu einer Normalkraft und zusätzlich zu einer Reibungskraft parallel zur Oberfläche, die du in einem späteren Kapitel noch kennen lernen wirst (4.7).

4.1.6 Einteilung von Kräften

Beispiele von Kräften

Bild 4.7: Beispiele von Kräften

Beobachtest du Kraftwirkungen im Alltag (Bild 4.7), wirst du feststellen, dass du zwei Arten von Kräften unterscheiden kannst:

Vermutlich hast du kein Problem mit der Vorstellung, wie die Kraftübertragung stattfindet, wenn zwei Körper einander direkt berühren. Aber wie sollen zwei Körper mit einander wechselwirken, wenn sie sich nicht berühren? Die Übertragung von Fernwirkungskräften wird in der Physik durch ein sogenanntes „Feld“ beschrieben. Grob gesagt, handelt es sich dabei um eine Eigenschaft des Raumes, mit der beide Körper in Verbindung stehen. Da beide Körper durch ihre Anwesenheit das Feld verändern, können sich beide Körper über das Feld „spüren“ und auf diese Weise miteinander wechselwirken. Für jede Fernwirkungskraft gibt es ein eigenes Feld, dessen Eigenschaften du in den entsprechenden Kapiteln über die jeweilige Fernwirkungskräfte kennen lernen wirst.

4.1.7 Die vier Grundkräfte

Die offensichtliche Einteilung Kräften von Kräften (4.1.6) aus dem letzten Abschnitt ist eigentlich nicht korrekt. Denn auch alle Kontaktkräfte sind mikroskopisch betrachtet die Folge einer Fernwirkungskraft, nämlich der elektrischen Kraft.

Auch wenn du in diesem Kapitel verschiedene Namen für Kräfte je nach Anwendungsbereich kennen lernen wirst (Reibungskraft, Seilkraft, Federkraft,…), hat sich über viel Jahrhunderte herausgestellt:

Alle Kräfte im Universum lassen sich auf vier Grundkräfte zurückführen.

Von diesen vier Grundkräften (engl. fundamental forces) kannst du in deinem Alltag sogar nur die Wirkung der Schwerkraft und der elektromagnetischen Kraft direkt beobachten.

Die Auswirkung der schwachen Wechselwirkung und der starken Wechselwirkung sind auf den atomaren Bereich beschränkt und sind meisten Menschen unbekannt. Der Cartoonist und Wissenschaftler Randall Munroe hat das so ausgedrückt (Bild 4.8).

fundamental forces von xkcd

Bild 4.8: fundamental forces von xkcd

Mehr über die vier Grundkräfte erfährst du im Kapitel Kräfte aus quantenmechanischer Sicht (17.10) am Ende dieses Buches.