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Kraft

Eine vorläufige Festlegung von Kraft

Die Kraft soll hier zunächst in einem alltäglichen Zusammenhang eingeführt werden: mit der Funktionsweise eines Kraftmessers. Ein Kraftmesser besteht im Wesentlichen aus einer Feder - die Dehnung einer Feder kann genutzt werden, um die Größe von Kräften zu bestimmen.

In den folgenden Abschnitten werden wir versuchen anhand von realen und gedanklichen Experimenten und unter Einbeziehung des Kraftmessers allgemeine Gesetzmäßigkeiten zu erkennen, die für alle Kräfte gültig sind. Auf diesem Wege wollen wir schließlich zu einer allgemein gültigen Definition der Kraft gelangen.

Kraftmesser
Abb.1

Ein Kraftmesser besteht aus einem Zylinder, in dessen Innerem ein zweiter Zylinder an einer Spiralfeder befestigt ist. Auf dem inneren Zylinder ist eine Skala gezeichnet und die Kante des äußeren Zylinders dient als Ablesemarke. Wird die Feder auseinander gezogen, dann kann man an der Skala die Dehnung der Feder ablesen. Hier und im Folgenden ist mit der Dehnung s immer die Länge der auseinander gezogenen Feder minus der ursprünglichen Federlänge gemeint.

Experiment mit Kraftmesser und Massestücken

Jede Masse erfährt eine Anziehung zur Erde hin. Je größer die Masse eines Körpers ist, desto "schwerer" ist er, d.h. umso stärker wird er nach unten gezogen. Ein Vielfaches an Masse bewirkt ein entsprechendes Vielfaches an "Schwerheit". Diese Kraft, die einen Körper zur Erde hin zieht und die wir hier benutzen, um die Eigenschaften des Federkraftmessers kennen zu lernen, heißt Gewichtskraft. Die Gewichtskraft wird später noch eingehender behandelt.

Wie reagiert nun der Kraftmesser auf eine Vervielfachung der angreifenden Kraft? Um dies herauszufinden, hängen wir einfach verschiedene, geeichte Massestücke an den Federkraftmesser und beobachten seine Dehnung.

Man sieht nach wenigen Versuchen, dass die Dehnung der Feder proportional zur Masse der angehängten Körper ist. Beispielsweise dehnen zwei Gewichte gleicher Masse die Feder doppelt so weit wie ein einzelnes.

Nicht alle Federn verhalten sich so. Eine Feder, bei der die Dehnung proportional zur angreifenden Kraft ist (wie sie in Federkraftmessern verwendet wird), wird "Hooke'sche Feder" genannt.

Für den Federkraftmesser ist es unerheblich, ob die Gewichtskraft eines Körpers oder eine irgendwie anders geartete Kraft längs seiner Achse angreift. Deshalb können wir den Federkraftmesser im Folgenden zum Messen von Kräften verwenden.

Federkraft
Wird eine Feder an einem Ende fixiert und wird am anderen Ende mit einer Kraft F an ihr gezogen, so dass sie sich um die Strecke s gegenüber ihrer ursprünglichen Länge dehnt, so hat F die Größe:
F = D s
Der Proportionaslitätsfaktor D heißt Federhärte und ist eine Eigenschaft der Feder selbst.

Mit dieser vorläufigen Definition der Kraft können wir bereits eine weitere Kraft verstehen, die uns im Alltag oft begegnet:

Luftreibungskraft

Alle Körper, die sich in Luft schnell bewegen, erfahren eine bremsende Kraft, die Luftreibungskraft. Diese Erfahrung macht jeder Autofahrer, Radfahrer, aber auch Läufer.

Die Luftreibungskraft können wir mit Hilfe des Kraftmessers messen. Dazu bindet man einen kleinen Fallschirm (z.B. aus einem Taschentuch, einer Plastiktüte o.ä.) so an den Kraftmesser, dass sich die Fallschirmfläche möglichst senkrecht zur Achse des Kraftmessers ausbreiten kann. Wenn man nun den Kraftmesser mit dem Fallschirm am hinteren Ende schnell durch die Luft bewegt - beispielsweise indem man ihn während des Fahrradfahrens in den Fahrtwind hält - so sieht man, dass der Kraftmesser gedehnt wird. Das heißt, an dem Fallschirm greift eine Kraft an. Diese Kraft ist umso größer, je größer die Fläche des Fallschirms ist und je schneller man fährt.

Es reicht uns an dieser Stelle zu bemerken, dass die Luftreibungskraft mit der Angriffsfläche des Körpers und seiner Geschwindigkeit ansteigt. Sie wird später noch eingehender behandelt.

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