Arten mechanischer Kräfte
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1/Mechanik mechanische Kräfte info Arten mechanischer Kräfte Neben der Muskel- und der Motorkraft ist bei mechanischen Prozessen das Zusammenspiel der folgenden Kräfte von entscheidender Bedeutung. Die Gewichtskraft Sie ist die Kraft mit der der Körper von der Erde angezogen wird Je größer die Masse eines Körpers ist, desto stärker wird er von der Erde angezogen. Gleichzeitig ist bei einer größeren Masse eine größere Kraft nötig, um sie zu beschleunigen. Ohne Luftwiderstand werden daher alle Körper im freien Fall gleich schnell zum Erdmittelpunkt hin beschleunigt. Auf der Erdoberfläche gilt für den Ortsfaktor, Erdbeschleunigung kd©2015 1/5 1/Mechanik mechanische Kräfte info Beispiele: Ein Körper der Masse Ein Körper der Masse hat auf der Erde eine Gewichtskraft von hat auf der Erde eine Gewichtskraft von Das Gewicht eines Körpers ist nicht an allen Stellen auf der Erde exakt gleich, sondern hängt vom Ort ab, an dem sich der Körper befindet: Ort Ortsfaktor in Auf einem hohen Berg hat ein Körper ein Äquator etwas geringeres Gewicht als in Höhe des Meeresspiegels. Mitteleuropa An verschiedenen Stellen der Erde hat jeder Pole der Erde Körper – da die Erde keine ideale Kugelgestalt über der Erde hat, sondern zu den Polen hin etwas über der Erde “abgeflacht” ist – ebenfalls ein geringfügig unterschiedliches Gewicht. Im Vergleich zu Mond der Erde Mitteleuropa ist ein Körper am Äquator etwas Venus leichter, an den Polen etwas schwerer. Mars Auf dem Mond oder auf anderen Planeten hängt die Gewichtskraft, die ein Körper Jupiter erfährt, von der Masse des jeweiligen Sonne Himmelskörpers ab. Je schwerer ein Planet ist, desto größer ist die Anziehungskraft, die er auf andere Massen ausübt. Auf dem Mond hat ein Körper der Masse Auf der Sonne erfährt ein Körper der Masse eine Gewichtskraft von eine Gewichtskraft von Körper haben überall im Universum somit zwar die gleiche Masse, aber nicht das gleiche Gewicht. kd©2015 2/5 1/Mechanik mechanische Kräfte info Die Reibungskraft Erfahrungsgemäß kommt jeder bewegte Körper, der nicht angetrieben wird, nach einer gewissen Zeit zur Ruhe. Da seine Geschwindigkeit abnimmt, muss eine bremsende Kraft wirken. Diese Kraft heißt Reibungskraft . Reibungskräfte treten immer auf, wenn sich Körper berühren und gegeneinander bewegen. Ursache dafür sind die unebenen Oberflächen der Körper und Kohäsionskräfte, die zwischen den Molekülen der aneinander reibenden Körper wirken. Die Haftreibung Bei starker Vergrößerung gleicht selbst eine geschliffene Oberfläche einem kleinen Gebirge mit vielen Zacken und Spitzen. Haften zwei Körper aneinander, so verhaken sich die Spitzen ineinander. Versucht man die Körper gegeneinander zu bewegen, so werden die Zacken verformt. Einer stärkeren Zugkraft wirkt eine stärkere Haftreibungskraft entgegen. Je stärker zwei Körper aneinander gepresst sind, desto stärker ist die maximale Haftreibung (als anschauliches Beispiel kann man zwei Bürsten ineinander stecken und versuchen sie gegeneinander zu bewegen). Die Gleitreibung Bewegen sich zwei Körper gegeneinander, so schlittern die rauen Oberflächen übereinander hinweg. Sie können sich – anders als bei der Haftreibung – nicht völlig ineinander verhaken. Die Rollreibung Rollt ein Körper auf dem anderen ab, so können die Unebenheiten der Oberflächen deutlich leichter überwunden werden. Die Rollreibungskraft ist bei gleicher zusammenpressender (Gewichts-)Kraft wesentlich kleiner als die Gleitreibungskraft. Um unerwünschte Reibungskräfte zu verringern, verwendet man Schmiermittel (Fett, Öl). Dadurch wird der Raum zwischen den sich reibenden Flächen ausgefüllt, so dass sich die Unebenheiten der Körper nicht mehr so störend auswirken. In sehr vielen Fällen ist die Reibungskraft allerdings unbedingt notwendig. Ohne Reibungskräfte zwischen den Rädern von Fahrzeugen und der Straße wäre eine gezielte Fortbewegung unmöglich, die Räder würden durchdrehen. Um den Rädern eine gute Straßenlage zu geben, sind die Reifen aus Spezialgummi und mit Profilen versehen. kd©2015 3/5 1/Mechanik mechanische Kräfte info Der Strömungswiderstand Bewegt sich ein Körper durch ein flüssiges oder gasförmiges Medium, so muss er stets einen Strömungswiderstand (z.B. Wasserwiderstand oder Luftwiderstand) überwinden. Hierbei hängt die Größe der Widerstandskraft von der Dichte des durchquerten Mediums, der Querschnittsfläche des Körpers, dem Quadrat seiner Geschwindigkeit, sowie einem so genannten “Widerstandsbeiwert” ab, der den Einfluss der Körperform beziffert. Beispielsweise gilt für die Luftwiderstandskraft näherungsweise folgende Formel:[3] Die Dichte der Luft beträgt unter Normalbedingungen . Für die Berechnung der Wasserwiderstandkraft muss mit der entsprechend höheren Dichte von Wasser gerechnet werden. Die Radialkraft Ein Körper bewegt sich aufgrund seiner Masse stets entlang einer geradlinigen Bahn, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt. Eine kreisförmige Bewegung ist somit nur möglich, wenn eine Kraft den Körper auf der Kreisbahn hält, d.h. ihn kontinuierlich zum Kreismittelpunkt hin beschleunigt. Diese Kraft wird Radialkraft bzw. Zentripetalkraft genannt. Für den Betrag der Radialkraft gilt ebenfalls das Kraftgesetz Mit der Radialbeschleunigung folgt für die Radialkraft . : Befindet man sich als Beobachter selbst auf einer Kreisbahn, so nimmt man hingegen die entsprechende Gegenkraft (“Zentrifugalkraft”) wahr. Sitzt man beispielsweise in einem Fahrzeug, das nach links lenkt, so scheint eine Kraft zu wirken, die den eigenen Körper zur rechten Seite hin beschleunigt (Scheinkraft). In Wirklichkeit versucht man sich aufgrund der Trägheit geradeaus zu bewegen und wird erst durch die zum Kreismittelpunkt hin wirkende Radialkraft auf die Kreisbahn gezwungen. kd©2015 4/5 1/Mechanik mechanische Kräfte info Zentrifuge Technisch wird die Radialkraft beispielsweise in Zentrifugen genutzt. Dabei wird ein zu trennendes Gemisch an Substanzen, die sich beispielsweise in einem Reagenzglas befinden, in eine Kreisbewegung mit hoher Winkelgeschwindigkeit und kleinem Bahnradius versetzt. Das Stoffgemisch wird dabei gemäß seiner Dichteanteile aufgetrennt, die “schwereren” Substanzen bewegen sich dabei aufgrund ihrer Trägheit nach außen und lagern sich so am Boden des rotierenden Gefäßes ab. Diese Schichtung bleibt auch nach einem Abschalten der Zentrifuge bestehen, da letztlich nichts anderes als ein Sedimentationsvorgang stattgefunden hat – nur ein sehr schneller. Die durch die Radialkraft bewirkte Radialbeschleunigung kann mit Zentrifugen bzw. Ultrazentrifugen ein - bis -faches der Erdbeschleunigung betragen. kd©2015 5/5
