3.1 Kräfte im Allgemeinen

3.1.1 Kraft und Wirkung

Wenn es dich bei einer Kurvenfahrt auf die Seite drückt oder du Zeuge einer Gebäudesprengung (Bild 3.1) bist, würdest du wahrscheinlich sagen, dass du „Kräfte“ gespürt bzw. beobachtet hast. Wahrnehmen kann man allerdings immer nur ihre Wirkung (engl. action). Der physikalische Begriff Kraft force ist eine reine Modellvorstellung der Physik, um Wirkungen zu beschreiben. Kräfte selbst kannst du weder beobachten, noch messen oder fühlen.

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Bild 3.1: Sprengung eines Schornsteins

In der Mechanik kannst du zwei Wirkungen unterscheiden: Die Bewegungsänderung (zum Beispiel ein Auto bremst) und die Formänderung (Auto verbeult bei einem Unfall). Beide Wirkungen können natürlich auch gleichzeitig auftreten. Statt dem Wort Kraft wird auch oft das Wort Wechselwirkung verwendet.

3.1.2 Beispiele von Kräften

Kräfte werden meistens danach benannt, bei welchen Phänomenen sie auftreten. Die Physikerinnen und Physiker unterscheiden zum Beispiel die Hangabtriebskraft bei einer schiefen Ebene, die Reibungskraft beim Bremsen eines Autos, die Federkraft bei der Verformung von Schraubenfedern, die Auftriebskraft beim Schwimmen und Sinken von Körpern in Flüssigkeiten oder die Gewichtskraft auf den Oberflächen von Himmelskörpern.

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Bild 3.2: Beispiele für Kräfte

Den meisten dieser Kräfte ist ein eigenes Unterkapitel gewidmet.

3.1.3 Arten der Kraftübertragung

Bei der Kraftübertragung von einem Körper auf einen anderen kannst du zwei unterschiedliche Arten von Wechselwirkung unterscheiden. Wenn sich zwei Körper bei der Kraftübertragung physisch berühren, spricht man von einer Nahwirkungkraft (engl. contact force). Beispiele dafür sind die Reibung oder die Federkraft.

Es gibt aber auch Kraftübertragung zwischen Körpern die sich nicht physisch berühren. Solche Wechselwirkungen bezeichnet man als Fernwirkungskräfte (engl. action-at-a-distance force oder non-contact force). Auch dafür kennst du sicher Beispiele, wie die Wechselwirkung zwischen zwei Magneten oder der Anziehung zwischen Sonne und Erde.

3.1.4 Grundkräfte

Wenn du dir das Inhaltverzeichnis eines Physik-Buches ansiehst, wirst du den Eindruck gewinnen, dass es hunderte verschiedene Kräfte in der Natur gibt. Tatsächlich haben die Physikerinnen und Physiker im Laufe der Zeit erkannt, dass viele Kräfte eine gemeinsame Ursache haben. Heute lassen sich alle bekannten Kräfte auf 4 Grundkräfte (engl. fundamental forces) zurückführen. Diese Grundkräfte sind:

  • Gravitation: Beschreibt die Anziehung von Massen
  • Elektromagnetische Wechselwirkung: Beschreibt die Anziehung und Abstoßung von Ladungen
  • Schwache Wechselwirkung: Beschreibt Effekte beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen
  • Starke Wechselwirkung: Beschreibt den Zusammenhalt von Atomkernen

Alle Grundkräfte sind Fernwirkungskräfte.

3.1.5 Die Weltformel

Theoretische Physikerinnen und Physiker haben die Überlegung anstellt, ob es nicht vielleicht möglich ist, die 4 Grundkräfte durch eine einzige Formel zu beschreiben. Im Falle der elektroschwachen Wechselwirkung ist ein Teil bereits gelungen. Sie vereint die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung. Eine Theorie, die zusätzlich die starke Wechselwirkung beschreiben würde, wird große vereinheitlichte Theorie (engl. Grand Unified Theory oder kurz GUT) genannt. Eine Theorie, die alle vier Grundkräfte vereint, wird Weltformel oder (engl. Theory of Everything, kurz TOE) genannt.

Das diese vereinheitlichende Theorien der Grundkräfte nicht nur eine rein formale Sache ist, zeigen Experimente der Hochenergiephysik wie sie zum Beispiel am europäischen Kernforschungszentrum CERN durchgeführt werden. Sie zeigen, dass die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung bei hohen Energien die gleiche Stärke haben (Bild 3.3).

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Bild 3.3: Die Kopplungskonstanten \(\alpha\) der vier Grundkräfte als Funktion der Energie \(E\).

Für noch höhere Energien könnten auch die anderen Grundkräfte dasselbe Verhalten zeigen. Nach der Urknalltheorie (engl. big bang theory) war die Temperatur im Universum umso höher, je weiter man in der Zeit zurückgeht und je näher man dem Urknall kommt. Im frühen Universum könnte es daher wirklich nur eine einzige Urkraft gegeben haben, die sich erst durch das allmähliche Abkühlen des Universums in die 4 Grundkräfte, so wie wir sie heute kennen, aufgespaltet hat.

3.1.6 Messung von Kräften

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

Der Federkraftmesser (engl. spring scale) (Bild 3.4) 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.

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Bild 3.4: Federkraftmesser