„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Zeichen:

F (Force)

Einheit:

N (Newton)

1. Kraft

Kraft ist ein Begriff mit mehreren Bedeutungen. In der klassischen Physik ist die gerichtete Größe Kraft F die äußere Ursache der Bewegung oder Verformung eines Körpers. Kräfte sind zum Beispiel erforderlich, damit Arbeit mittels Energie verrichtet werden kann.

2. Geschichte

Im 17. Jahrhundert interpretierte der große Physiker Isaac Newton die Kraft als zeitliche Änderung des Impulses. Er erkannte, dass Kraft die Ursache jeder Veränderung des Bewegungszustandes eines Körpers ist.

Mit der Relativitätstheorie und der Quantenphysik war auch die klassisch-newtonsche Vorstellung von Kraft passé. Die Gravitationskraft wird als die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit und die anderen drei Grundkräfte als vermittelnde Eichbosonen aufgefasst. Bis heute.

3. Kraftvektor

Kräfte können mit Pfeilen zeichnerisch illustriert werden. Diese Pfeile nennt man dann Kraftvektoren. Ein Kraftvektor wird vom Ursprung der Kraft in Richtung ihrer Wirkung gezeichnet. Umso länger ein Kraftvektor, desto stärker die Kraft.

Lasst uns im Folgenden nun ein paar Modelle, in denen Kräfte wirken, anschauen. Und versuchen sie mithilfe von Kraftvektoren zu verstehen.

3.1. Gewichtskraft

Also fangen wir an. Warum nicht zunächst einfach mal ein Auto mitten in die Luft setzen? Gesagt, getan. Auch ohne großes Physikverständnis können wir jetzt schon vorhersagen, dass das Auto nach unten fallen wird. Man sagt dann, dass Auto befindet sich im freien Fall. Die sogenannte Gewichtskraft Fg lässt das Auto Richtung Erdboden fallen. Umso größer die Masse m des Autos, desto stärker die Kraft, desto schneller fällt es (F = m*g).

3.2. Kräftegleichgewicht

Das Auto ist jetzt auf einer geraden Ebene gelandet. Der Boden bremst das Auto mit einer gleich starken, aber entgegengesetzten Kraft gegen den freien Fall ab. Entgegengesetzte Kräfte heben sich nämlich auf. Ist dies der Fall, reden wir von einem Kräftegleichgewicht. Für kompliziertere Aufeinandertreffen von Kräften zeichnet man ein Kräfteparallelogramm bzw. addiert die zugehörigen Kräftevektoren.

3.3. Hangabtriebskraft

Neigen wir die gerade noch flache Ebene jetzt um 37°. Auf der schrägen Ebene entsteht eine Hangabtriebskraft in Richtung des Gefälles. Deshalb rollt das bisher noch ruhende Auto nun solange den Berg hinunter, bis der Hangabtriebskraft eine mindestens gleich starke Kraft entgegentritt (z.B. durch den Kraftstoff im Auto) oder sie erlischt (z.B. im Tal). Die Hangatriebskraft ist eine Form der Schwerkraft.

3.4. Reibungskraft

Aufgrund der mit der Zeit zunehmenden Hangatriebskraft (F=m * s/) wird das Auto immer schneller und schneller. Irgendwann wird es den Reifen aber zu heiß und sie platzen. Übrig bleiben Felgen aus Leichtmetall, die längst nicht mehr so glatt wie vorher das Reifengummi über die Straße rutschen. Die schlagartig angewachsene Reibungskraft wirkt entgegengesetzt zur Hangatriebskraft. Sie bremst das Auto, verlangsamt also dessen Bewegung, ohne aber die Richtung gen Tal zu ändern.

3.5. Verformungskraft

Letzten Endes prallt das Auto noch frontal gegen einen Baum. Von links drückt die ausbleibende Hangabtriebskraft auf das Auto und von rechts die Gegenkraft des Baumes. Eingequetscht zwischen den Kräften verformt sich das Auto während des Crashs, wie eine Feder, die man an beiden Enden packt und zusammendrückt. Schlussendlich heben sich die beiden Kräfte aber auf und das malträtierte Auto kommt zu stoppen. Leider aber stehen wir als Kreatoren dieses Kraftspielchens auf Actionfilme und so kommt es, wie es kommen muss:

4. Verweise

  • Elektrizität: Es gibt auch eine elektrische Kraft.

  • Magnetismus: Und eine magnetische Kraft.

  • 4 Grundkräfte: Überhaupt werden in der modernen Physik alle Prozesse überhaupt, darunter auch alle Erscheinungsformen der Kräfte, mit nur 4 fundamentalen Grundkräften beschrieben.

  • Quantenphysik: Selbst in der Quantenphysik taucht der Begriff der Kraft auf. Jedoch nur in einem übertragenen Sinne, gleichbedeutend mit Wechselwirkung. Quantenkräfte haben also nichts mit dem zu tun, was wir in diesem Artikel als Kraft kennen gelernt haben.

  • Zeitpfeil: Geben wir unserem Auto noch ein Mal einen Kraftstoß auf gerader Ebene. Dann müsste es doch eigentlich bis ans Ende aller Tage geradeaus fahren, wenn gerade kein Baum im Weg steht. Macht es aber nicht. Es wirken ja immer, egal wie „reibungsfrei das Auto von dannen gleitet“, entgegengesetzte Reibungskräfte. Und die haben etwas mit den Hauptsätzen der Thermodynamik zu tun.

Stand: 2014

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