3.2 Eigenschaften von Kräften

Im Bild 3.7 hat der Künstler Felipe Gabaldón mehrere Kräfte ins Gleichgewicht gebracht.

Gleichgewicht der Kräfte Komposition

Bild 3.7: Gleichgewicht der Kräfte Komposition

In diesem Kapitel werden wir uns damit beschäftigen, wie Kräfte in der Physik beschrieben und darstellt werden. Außerdem betrachten wir das Zusammenspiel mehrerer Kräfte.

3.2.1 Beschreibung der Kraft

Das Formelzeichen der Kraft ist ein großes F (merke: force). Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von den folgenden drei Eigenschaften:

  • Größe
  • Richtung
  • Angriffspunkt (An welchem Punkt des Körpers wirkt die Kraft)

Durch diese Eigenschaften ist eine Kraft eindeutig festgelegt.

3.2.2 Darstellung von Kräften

Je nachdem ob du ein ein-, zwei- oder dreidimensionales Koordinatensystem für die Beschreibung deiner Situation verwendest, wird die Kraft als ganze Zahl, zwei- oder dreidimensionaler Vektor dargestellt. Grafisch wird eine Kraft als Vektorpfeil dargestellt.

3.2.3 Die Wirklinie

Die Wirklinie einer Kraft (engl. line of action) ist eine Gerade, die durch den Angriffspunkt und den Kraftvektor definiert ist. Wird ein Kraftvektor entlang der Wirklinie verschoben, bleibt die Wirkung der Kraft unverändert! Manche Aufgaben lassen sich dadurch einfacher lösen.

Kräfte mit identischer Wirkung

Bild 3.8: Kräfte mit identischer Wirkung

In der Abbildung 3.8 siehst du drei unterschiedliche Darstellungen der Gewichtskraft eines Körpers. Alle drei Darstellungen sind richtig. Da die Kraftpfeile in den unterschiedlichen Darstellungen nur entlang derselben Wirklinie verschoben sind, ist die Wirkung aller drei Kräfte identisch.

3.2.4 Summe von Kräften

Tauziehen

Bild 3.9: Tauziehen

In einigen Fällen wirken mehrere Kräfte auf einen Körper, wie zum Beispiel hier beim Tauziehen (Bild 3.9). Aber egal wie viele Kräfte wirken – das Seil zeigt immer nur eine Wirkung. Es bewegt sich jeweils nur nach links oder rechts. Die Wirkung könnte genauso gut nur von einer einzigen Kraft stammen. Diese Kraft wird als Gesamt- oder Nettokraft (engl. net force) bezeichnet.

Konstruktion der Gesamtkraft

Bild 3.10: Konstruktion der Gesamtkraft

Grafisch bildest du die Gesamtkraft, indem du alle Kraftpfeile – Schaft an Spitze – aneinander hängst. Die Gesamtkraft ist dann der Vektor beginnend beim Schaft des ersten Vektors bis zur Spitze des letzten Vektors (Bild 3.10). Die Reihenfolge, in der du die einzelnen Kraftpfeile aneinander hängst, ist dabei egal – du bekommst immer denselben Gesamtkraftpfeil.

Algebraisch bekommst du den Gesamtkraftvektor durch die Vektoraddition der Einzelkräfte.

3.2.5 Kräftegleichgewicht

Ergibt die Summe aller Kräfte auf einen Körper null (eigentlich den Nullvektor), dann ist die Gesamtkraft null und es kommt zu keiner Wirkung (Bild 3.11). In diesem Fall wird von einem Kräftegleichgewicht (engl. balancing forces) gesprochen.

Kräftegleichgewicht bei einer hängenden Ampel

Bild 3.11: Kräftegleichgewicht bei einer hängenden Ampel