Kontakt- und Feldkräfte Kräfte / Art (Kontakt, Feld)

Kontakt- und Feldkräfte
Mechanik: Die Beschreibung der Bewegung von makroskopisch unterscheidbaren Objekten
(Fest-Körpern oder Fluiden, d.h. Gasen und Flüssigkeiten) aufgrund der auf die
Objekte wirkenden Kräfte.
Beachte dabei:
Entscheidend ist stets die (VEKTOR-)SUMME aller Kräfte. Dabei sind
Zwei Fälle möglich:
Gesamtkraft = 0: Objekt behält Bewegungszustand der gleichförmigen
Bewegung bei, bleibt in geeignet gewähltem
Bezugssystem also in Ruhe.
Æ Mechanisches Gleichgewicht.
Gesamtkraft ≠ 0: Objekt ändert seinen Bewegungszustand, d.h. wird
beschleunigt.
Æ kein mechanisches Gleichgewicht.
Wichtig also: Die Identifizierung aller auf ein Objekt wirkenden Kräfte. Dabei hilft eine
konzeptionelle Unterscheidung:
1.) Kontaktkräfte:
Sie setzen auf makroskopischer Ebene einen Kontakt mit einem anderen
Objekt voraus. Beispiele: angreifende Feder, Kette, Seil; Hammerschlag,
Kinnhaken, Reifenandruck auf Straße, Reibungskräfte auf fallenden
Körper in Luft oder Flüssigkeit; Gasdruck auf einen Kolben.
2.) Feldkräfte:
Sie wirken ohne einen makroskopischen Kontakt mit einem anderen
Objekt. Beispiele: magnetische und elektrostatische Kräfte,
Gravitationskraft., am wichtigsten dabei: die Schwerkraft der Erde.
Beachte:
Auf mikroskopischer (atomarer, molekularer) Ebene sind alle Kräfte
Feldkräfte aufgrund der Coulombkraft bei der Durchdringung der Atome an
einer Kontaktfläche!
Beispiel für ein System aus drei Körpern mit vollständigem Kräftediagramm:
Kräfte / Art (Kontakt, Feld)
G
FHaken, Kette
/
K
G
Fγ , Kette
/
F
G
FM1, Kette
G
FKette, M1
G
Fγ , M1
G
FM2, M1
G
FM1, M2
G
Fγ , M2
/
K
/
K
/
F
/
K+F
/
K+F
/
F
Beachte:
•
G
G
Stets gilt das dritte Newtonsche Axiom: Fi, j = − Fj,i
•
Hier sind alle Körper in Ruhe, d.h. zusätzlich gilt
G
∑F
i, j
G
= 0 für alle Körper j. In der
i
Skizze oben bedeutet das: Die Vektorsumme aller Vektoren einer Farbe ist der
Nullvektor.
•
Auf mikroskopischer (atomarer, molekularer) Ebene sind alle Kräfte Feldkräfte
aufgrund der Coulombkraft bei der Durchdringung der Atome an einer Kontaktfläche!
•
Die gedankliche Trennung der einzelnen Objekte aus dem gesamten System ist ein
Stück weit beliebig. (Beispiel: Kette gesamt oder einzelne Kettenglieder).
•
Bei der Kräftebilanz sind die Kräfte sorgfältig danach zu sortieren, auf welches Objekt
sie wirken! Beispiel: Wenn ein Auto beschleunigt, bewirkt die elastische ScherVerformung der Kontaktfläche Reifen/Straße eine Kraft, welche die Straße auf die
Reifen und damit das Auto ausübt! Das bewirkt die Beschleunigung beim Kontakt mit
der Straße!
In der Technischen Mechanik nennt man die Skizze eines Objekts mit allen auf das Objekt
wirkenden Kräften ein Freikörperbild. Der Ausdruck kommt daher, dass man ein Objekt aus
seiner Umgebung ‚freischneidet’, d.h. gedanklich herauslöst.
Die Skizze oben enthält damit drei Freikörperbilder, ein rotes, ein grünes und ein blaues!