Der Begriff 'Kraft' in Physik und Alltag

Was ist mit Kraft gemeint?

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

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.

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.

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

Wie wirken Kräfte?

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

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.

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 und versuche sie in den weiß markierten Bereich zu bringen!

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.

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.

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.

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.