Kräfte und ihre Wirkungen

Kraft in der Physik – Kraft im Alltag

Der Begriff Kraft begegnet uns im Alltag in vielen verschiedenen Situationen. Politikerinnen und Politiker brauchen zum Beispiel eine große Überzeugungskraft. Oder man braucht eine sehr gute Vorstellungskraft, wenn man ein Bild malen will. Andererseits kann man die Muskelkraft messen, zum Beispiel beim Armdrücken oder beim Gewichtheben. In all diesen Situationen spricht man von Kraft, obwohl es sich um sehr unterschiedliche Dinge handelt und viele dieser Beispiele keine Kräfte im physikalischen Sinn sind. Mit der physikalischen Kraft wollen wir uns im Folgenden näher beschäftigen.
Deswegen stellen wir uns zunächst die Frage: Was ist Kraft eigentlich in der Physik?

Kraft in der Physik – Definition der Kraft

Zunächst wollen wir eine physikalische Definition des Begriffes Kraft formulieren:

Eine Kraft kann also im Wesentlichen durch ihre Wirkung auf einen Körper beschrieben werden. In der Mechanik unterscheiden wir zwei grundlegende Wirkungen: Änderung der Bewegung und Änderung der Form. Eine Bewegungsänderung können wir uns als Beschleunigung, als Bremsen oder als Änderung der Bewegungsrichtung vorstellen. Wenn du zum Beispiel auf dem Fahrrad in die Pedale trittst, übst du eine Kraft aus, die die Pedale in Bewegung versetzt. Wenn du dann die Bremsen betätigst, üben diese eine Kraft auf die Räder aus, die sie bremsen und dich zum Anhalten bringen. Genauso übst du eine Kraft aus, wenn du eine Hantel nach oben bewegst. Eine Formänderung kannst du zum Beispiel beobachten, wenn du dich auf einen Gymnastikball setzt: Er ist dann nicht mehr rund, sondern eingedellt, weil du eine Kraft auf ihn ausübst.

Kraft in der Physik – Arten der Kraft

Man nennt die Kräfte aus unseren Beispielen mechanische Kräfte. Es gibt auch andere Kraftarten, beispielsweise magnetische Kräfte oder elektrische Kräfte. Diese kannst du erfahren, wenn du mit einem Magneten eine Metallkugel anziehst oder wenn du ein elektrisches Gerät an die Steckdose anschließt und einschaltest. Wir können also schon ein paar Punkte zusammenfassen:

• Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen auf Körper.
• Eine Kraft kann die Form oder die Bewegung eines Körpers ändern.
• Eine Kraft gibt an, wie stark ein Körper auf einen anderen wirkt.
• Es gibt verschiedene Kraftarten, zum Beispiel: mechanisch, magnetisch, elektrisch.

Kraft in der Physik – Kraft als gerichtete Größe

Wir betrachten jetzt das Beispiel des Gewichthebens etwas genauer. In der Abbildung haben wir gesehen, dass der Gewichtheber die Hantel nach oben bewegt. Die Wirkung der Kraft zeigt also in dieselbe Richtung wie die Kraft selbst – und zwar nach oben. Würde der Gewichtheber beispielsweise eine Kraft nach vorne ausüben, würde sich die Hantel auch in diese Richtung bewegen. Deswegen stellt man Kräfte in Zeichnungen auch mit Kraftpfeilen dar, die die Richtung der Kraft anzeigen. Für die Kraft des Gewichthebers zeichnen wir also einen nach oben gerichteten Pfeil. Der Anfangspunkt des Pfeils liegt am Angriffspunkt der Kraft und ist dort, wo der Gewichtheber die Hantel festhält. Neben den Pfeil für die Kraft zeichnen wir das Formelzeichen der Kraft, ein $\vec{F}$. Der Pfeil über dem Buchstaben symbolisiert, dass es sich um eine gerichtete Größe handelt.

Wir können noch einen weiteren Kraftpfeil einzeichnen, und zwar für die Gewichtskraft $\vec{F_\text{G}}$ der Hantel: Dieser Pfeil zeigt nach unten. Wenn der Gewichtheber die Hantel loslassen würde, würde sie ja gerade nach unten fallen. Sie fällt nur dann nicht nach unten, wenn der Gewichtheber stark genug ist, also genug Kraft aufbringen kann, um sie nach oben zu bewegen. Das können wir auch mithilfe der Pfeile darstellen. Die Größe der Kraft wird durch die Länge der Pfeile angegeben – je länger der Pfeil, desto größer die Kraft. Will man in einer Formel nur die Größe der Kraft nutzen, kann man statt $\vec{F}$ auch die Schreibweise $|\vec{F}|$ verwenden oder den Pfeil einfach weglassen: $F$.

Du siehst, dass der Betrag der Kraft $F$, die der Gewichtheber auf die Hantel ausübt, genauso groß sein muss, wie die Gewichtskraft $F_\text{G}$ der Hantel, um diese stabil in der Luft zu halten. Das wird durch die beiden gleich langen (aber entgegengesetzt gerichteten) Pfeile deutlich.

Kraft in der Physik – Einheit der Kraft

Die Einheit der Kraft ist das Newton, das mit einem $\text{N}$ abgekürzt wird. Eine Kraft von $1~\text{N}$ entspricht ungefähr der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade. Um Kräfte zu messen, braucht man ein Kraftmessgerät. Ein einfaches Beispiel sind Federkraftmesser, die auf dem Prinzip der Federkraft basieren.

Wie man Kräfte berechnen kann und wie Kraft und die Änderung der Bewegung genau zusammenhängen, erfährst du, wenn du dich mit den newtonschen Gesetzen beschäftigst.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kraft in der Physik