Der Begriff „Kraft“ in Physik und Alltag

Hier wird erklärt, was der Begriff Kraft in der Physik bedeutet, woran wir das Wirken von Kräften erkennen und wie man Kräfte beschreibt und berechnet.

Arbeitsmittel

Was ist mit Kraft gemeint?

Der Begriff Kraft wird im alltäglichen Sprachgebrauch in allen möglichen Situationen verwendet:

Suppe in einer Tasse. In der Suppe sind Nudeln, Karotten und Rindfleischstücke
Die kräftige Suppe
Eine Frau und ein Mann, die mit Hanteln trainieren
Kraft-Training
Illustration von Yoda aus Star Wars
May the force be with you

Wer kennt nicht die kräftige Mahlzeit, die Willenskraft, die Zauberkraft, die Waschkraft, die Lehrkraft, die Süßkraft, ... oder war noch nie im Sportunterricht mit Krafttraining konfrontiert? Auch im englischen Sprachraum (Kraft = force) gibt es viel Verwirrung – Meister Yoda war hier nicht hilfreich.

Isaac Newton sitzt denkend unter einem Apfelbaum
Obst fällt vom Baum
Supernova im Weltall
Falschfarbenbild der Reste einer Supernova, die 1572 im Sternbild Kassiopeia von Tycho und Sophie Brahe beobachtet wurde.
Ein Zug, der von den Schienen abgekommen ist. Runderhum ist Wald
Entgleister Zug

In der Wissenschaft wird der Begriff Kraft aber völlig anders verwendet als im Alltag. In der Physik werden damit Wirkungen und Veränderungen beschrieben: Obst fällt vom Baum, ein Zug entgleist, Atome gehen Bindungen ein, ein Stern wird zur Supernova ... (Abbildung 5 zeigt die Reste der ersten in Europa beobachteten Supernova. Diese Beobachtung hat bewiesen, dass auch Fixsterne nicht unveränderlich sind.) Kräfte und ihre Wirkung sind überall – auch während du hier sitzt und das liest, wirken Kräfte auf dich. Kräfte sind für die Physik so wichtig, dass die Physik manchmal sogar die „Lehre von den Kräften in der Natur“ genannt wird.

Der Begriff Kraft ist in der Physik eine Modellvorstellung, um Wirkungen zu beschreiben.

Kräfte werden üblicherweise danach benannt, in welcher Situation sie auftreten, zum Beispiel:

Nahaufnahme von mehreren Sicherheitsnadeln
Federkraft: Eine Sicherheitsnadel wird durch die Federkraft einer Schenkelfeder geschlossen gehalten.
Ein Bergsteiger, der sich an einer Steinmauer abseilt
Reibungskraft und Gewichtskraft: Reibung des Seils am Bremsgerät, Gewicht der Kletterin
Eine Frau die auf ihrem Rücken auf dem Wasser treibt
Im Wasser wirkt die Auftriebskraft auf diese Frau.

Wie wirken Kräfte?

Woran kann ich erkennen, ob eine Kraft im Spiel ist? Kräfte führen zu Veränderungen, zum Beispiel:

Ein Mädchen fährt mit einem Schlitten einen schneebedeckten Hang hinunter
Änderung der Geschwindigkeit (Betrag): Die Reibung mit dem Schnee bringt die Rodel irgendwann zum Stillstand.
Beleuchteter Springbrunnen, der mehrere Wasserstrahlen ausstößt
Änderung der Geschwindigkeit (Richtung und Betrag): Die Gravitation ändert die Richtung des Wasserstrahls.
Ein Auto mit zerdrückter Motorhaube
Verformung: Dieses Auto hat sich bei einem Unfall stark verändert.
Tormann, der einen Ball gefangen hat
Änderung der Geschwindigkeit (Betrag): Ball gefangen

Kräfte lassen sich meist durch ihre Wirkung erkennen. Typische Wirkungen sind die Änderung der Geschwindigkeit (Beschleunigen, Bremsen, Ändern der Bewegungsrichtung) und die Änderung der Form (Verformung).

Kräfte beschreiben

Jede Kraft wird durch 3 Eigenschaften charakterisiert: Größe (Betrag), Richtung und Angriffspunkt. Weil die Kraft eine Richtung hat, wird sie immer als Pfeil dargestellt. Die Länge des Pfeils zeigt den Betrag der Kraft an.

Kräfte werden als Pfeile gezeichnet, die Länge des Pfeiles zeigt den Betrag der Kraft an.
Vereinfachte Darstellung der Kraft, mit der diese Zwetschke von der Erde angezogen wird.

Die Erdanziehungskraft (Gravitation) wirkt auf die Zwetschke. In Wirklichkeit wirken noch viele andere Kräfte auf die Zwetschke. Alle wirkenden Kräfte darzustellen wäre nahezu unmöglich und verwirrend.

Ziehe einen Kraftpfeil von der Kugel weg, um diese in Bewegung zu setzen! Beobachte die Bewegung der Kugel!

Warum wird die Kugel mit der Zeit langsamer? Durch die Reibung der Kugel mit dem Billardtisch, mit der Luft und durch elastische Verformung bei jedem Aufprall auf ein Hindernis wird die Kugel mit der Zeit langsamer und bleibt schließlich stehen.

Kräfte addieren

Die Zwetschke in Abb. 16 besteht, so wie jede Materie, aus Teilchen (z. B. Atomen und Molekülen). Die Gravitation der Erde wirkt eigentlich auf die Masse jedes einzelnen Teilchens. Wenn diese vielen Kräfte in die gleiche Richtung wirken, darf man sie addieren. So ergibt sich die Kraft, mit der die ganze Zwetschke nach unten gezogen wird.

Auch dies ist eine Vereinfachung. Eigentlich wird jedes Zwetschkenatom nach unten gezogen – addiert ergibt das eine Kraft für die ganze Zwetschke. Aber warum fällt sie nicht auf den Boden?

Da sie aber noch am Ast hängt, müssen hier noch andere Kräfte im Spiel sein: Viele kleine, einzelne Kräfte halten die Teilchen des Obststängels am Ast fest – es sind die Kräfte zwischen den Teilchen (Kohäsionskräfte, Adhäsionskräfte – Sie wirken auf mikroskopischer Ebene zwischen den Teilchen, aber mit geringer Reichweite.) Solange die Schwerkraft nicht groß genug ist, um diese Teilchenkräfte am Stiel der Zwetschke zu überwinden, fällt sie nicht hinunter. Stark vereinfacht zeichnen wir hier den Teil davon ein, der gegen die Schwerkraft wirkt. Gleich große Kräfte (vom Betrag her), die genau entgegengesetzt wirken, heben einander auf. Hier herrscht ein Kräftegleichgewicht.

Auch dies ist eine Vereinfachung.

Zwei Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn sie den gleichen Betrag sowie die gleiche Wirkungslinie haben und am gleichen Punkt angreifen, aber in die entgegengesetzte Richtung wirken. Wenn Kräfte im Gleichgewicht sind, ist die resultierende Kraft Null.

Aber was passiert, wenn die Kräfte von einer anderen (nicht der entgegengesetzten) Richtung kommen? Dann funktioniert das Addieren etwas anders: Die resultierende Kraft ist die Diagonale des Kräfteparallelogramms.

Addieren von Kräften mit dem Kräfteparallelogramm

Befindet sich ein Körper in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung, dann sind die auf ihn wirkenden resultierenden Kräfte Null.

Kräfteaddition auf der Blumenwiese

Wohin ziehen die Kräfte, die die kleinen Hummeln auf die große Hummel auswirken? Versuche die Kräfte zu addieren und klicke an eine Stelle, um dort eine Blume zu pflanzen.

Super! 2 Kräfte zu addieren, scheint für dich fast schon zu einfach zu sein.

Das Addieren von mehr als 2 Kräften funktioniert etwas anders. Lege die Pfeile geistig so wie beim Domino aneinander! So ergibt sich die Gesamtkraft.

16. Der Begriff „Kraft“ in Physik und Alltag
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