Mechanik II

4. Kräfte
Welche Kräfte kennst Du?
Kräfte:
V1:
V2: Magnet in der Nähe einer Kugel
Die Ursache einer Bewegungsänderung wird in
der Physik Kraft genannt.
Kräfte:
lassen sich nur durch ihre Wirkung erkennen
können einen Körper verformen/ beschleunigen
die Bewegungsrichtung ändern.
Buch S. 96
Welche Größen macht eine
Kraft aus?
Dehnt man eine Feder, so wird sie um so länger, je
mehr Gewichtsstücke man daran befestigt
Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Betrag ab.
Zieht man einen Schlitten in einem anderen Winkel,
dann verändert sich auch die Kraft:
Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Richtung ab.
Sitzt man auf der Wippe weiter außen, so wirkt man
„schwerer“:
Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Angriffspunkt
ab.
Zusammenfassung:
Die verformende Wirkung einer Kraft
hängt von deren
Betrag, Richtung und Angriffspunkt ab.
Buch S. 97
Kennzeichnung von
Kräften:
Kräfte werden durch Pfeile dargestellt:
Länge = Stärke der Kraft
Richtung = Richtung der Kraft
Anfangspunkt = Angriffspunkt der Kraft
Zwei Kräfte sind gleich, wenn sie unter gleichen
Bedingungen die gleiche Wirkung bei Körpern
hervorrufen.
Einheit der Kraft:
[F] = 1 N (1 Newton)
1 mN = 0,001 N
bzw. 1 cN = 0,01 N
1 kN = 1000 N
(Sir Isaac Newton: 1643 – 1727 siehe B.S. 98)
Dann: AB Kräfte und Ihre Wirkungen
Buch S. 107
Beispiele:
Ball werfen vom Skateboard aus
Rakete
Seilziehen
Esel mit Möhre
Eine Kraft (actio) kann also nach Newton III nie
alleine auftreten, sie hat immer eine Gegenkraft
(reactio), die an einem anderen Körper angreift.
Kraft und Verformung
Wir legen nacheinander
immer schwerere
Gewichtsstücke auf die
Schale. Dadurch wird eine
immer größer werdende
Kraft F auf das
Gummiband ausgeübt. so
dass es immer stärker
gedehnt wird.
Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der
Zugkraft F und der Verlängerung des Gummibandes
s:
Zeichne die Werte in ein F-s- Diagramm ein!
Das daraus resultierende Diagramm kann so aussehen:
Bei Federn sieht das Diagramm schon genauer aus:
Hier gilt: F proportional zu Δs
F/Δs = konstant = D
D := Federhärte
Die Einheit von D = 1 N/cm
Ist die Gerade im Diagramm flacher, so ist die Feder weicher
Gesetz von Hooke:
Bei bestimmen Gegenständen (Feder,Gummi) ist der
Quotient aus Kraft F und Längenänderung konstant:
D = F/Δs = konstant
Das Trägheitsgesetz
Noch mehr Versuche...
Das Trägheitsgesetz:
Trägheit ist die Eigenschaft eines Körpers, einer
Bewegungsänderung einen Widerstand
entgegenzusetzen.
Ist die Summe der auf einen Körper wirkenden
Kräfte null, so bleibt der Körper in Ruhe oder in
gleichförmiger, geradliniger Bewegung
Buch S. 101/102
Aufgabe:
Nashorn
Nashörner sind bekanntermaßen mit einem erstaunlich guten
Geruchssinn ausgestattet, ihre Augen hingegen lassen ziemlich zu
wünschen übrig – Nashörner sind extrem kurzsichtig. Trotz ihrer
enormen Masse von bis zu 2 t sind sie zu Fuß überaus gut unterwegs –
sie können bis zu 50 km/h schnell laufen! Wenn der Wind ungünstig
steht und von einer Person aus Richtung Nashorn weht, kann es
passieren, dass es die Witterung aufnimmt und auf die
bedauernswerte Person zu rennt – nach dem Motto „Angriff ist die
beste Verteidigung“.
Wenn man allerdings ein wenig über Nashörner und Physik Bescheid weiß
und zudem noch über eiserne Nerven verfügt, hat man beste Chancen,
dem aufgebrachten Tier zu entkommen.
Wie muss man sich verhalten?
Kraft, Masse und
Beschleunigung
Was ist eigentlich „Masse“?
Wir kaufen auf dem Markt 2kg Tomaten:
-
Legt man sie auf eine Balkenwaage, so sind sie mit 2kg
Äpfeln im Gleichgewicht.
-
Trägt man sie bis in den 2. Stock eines Hauses, so wirken
Äpfel und Tomaten gleich „schwer“.
-
Ein großer Kürbis von 4kg würde nur gegen Äpfel und
Tomaten zusammen auf der Waage im Gleichgewicht sein.
Die Einheit der Masse ist das „Kilogramm“ – weitere Einheiten
sind:
Massengleichheit Zwei Körper haben die gleiche Masse, wenn
sie durch die gleiche Kraft die gleiche Beschleunigung erfahren.
Massenvielfachheit Ein Körper A hat die doppelt so große
Masse wie ein Körper B, wenn er durch die gleiche Kraft nur
halb so stark beschleunigt wird wie der Körper B.
Buch S. 99
Zusammenhang zwischen Kraft, Masse
und Beschleunigung
Je größer bei bestimmter Masse m die wirkende
Kraft F ist, desto größer ist die Beschleunigung a
Je größer bei bestimmter Kraft F die Masse m ist,
desto kleiner ist die Beschleunigung a
Allgemein gilt:
Anwendungsaufgabe: je-desto-Physik
Gegeben ist ein schwerer Körper
A und ein leichter Körper B.
Außerdem eine Kraft F1 , deren
Betrag größer ist als der von F2.
Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
- F1 beschleunigt Körper A stärker als F2
- F2 beschleunigt den Körper B stärker als F1 den Körper A
- F2 bremst Körper A stärker als Körper B
- F1 beschleunigt Körper B stärker als Körper A
- F2 bremst Körper B schwächer als F1
Eine spezielle Kraft – die
Gewichtskraft
V: Lässt man eine Tafel Schokolade ( m = 100g ) los, so
fällt sie auf den Boden.
E: Die Gewichtskraft der Erde beschleunigt die Tafel
nach unten.
Wir wissen bereits: Fallbeschleunigung auf der Erde
aErde = g = 9,81 m/s² = 10 m/s²
Damit können wir die Gewichtskraft
berechnen, die eine Tafel Schokolade
erfährt:
FG (= G) = m  g = 0,1 kg  10m/s² = 1 kg 
m/s² = 1 N
Allgemein gilt:
Gewichtskraft
G=mg
g: Fallbeschleunigung des jeweiligen Ortes
Bsp: Auf der Erde gilt:
m = 100g = 0,1 kg 
G=1N
m = 1 kg

G = 10 N
m = 2 kg

G = 20 N
m = 1000 kg = 1 t 
G = 10 000 N
MERKE:
Die Fallbeschleunigung g hängt vom Ort ab!
Somit hängt auch die Gewichtskraft einer Masse vom
jeweiligen Ort ab!
Bsp: 1 Tafel Schokolade auf der Erde: m = 100 g,
also beträgt G = 1 N.
Tafelschokolade auf dem Mond: m = 100g, also
beträgt
G = m  gMond = 0,1 kg  1,6m/s² = 0,16 N
(= 1/6 des Gewichtes auf der Erde!)
Kräftezerlegung
Eine Kraft kann man in einzelne Komponenten zerlegen
oder aus mehreren Kräften eine resultierende Kraft
„berechnen“:
Bei gleichem Angriffspunkt
Wirken zwei Kräfte F1 und
F2 und mit verschiedener
Wirkungslinie auf einen
Körper, so findet man die
resultierende Kraft F wie
in den Zeichnungen
dargestellt entweder
durch das
Kräfteparallelogramm oder
durch das Kraftdreieck.
Zerlegung einer Kraft in Komponenten
Beispiel: Schiefe Ebene
Gegeben ist ein Körper der
Gewichtskraft Fg auf
einer schiefen Ebene.
Gesucht sind die
Komponenten der
Gewichtskraft parallel
(Hangabtriebskraft) und
senkrecht (Normalkraft)
zur schiefen Ebene.
Zerlegung Digital
Buch S. 108 ff.
Aufgabe: Wirtshausschild
Eine Krone (G = 0,20 kN) hängt als
Wirtshausschild an der
skizzierten Stabverbindung.
a) Welche Kräfte wirken im Punkt A
auf die Stäbe?
b) In welche Kräfte senkrecht (s )
und parallel (p ) zur Wand kann
man die Kraft des Stabes in B
zerlegen?
c) Welche Kraft wirkt in C durch den
Stab?
a) Bedingt durch die Gewichtskraft der Krone
wirkt im Stab [AC] eine Druckkraft Fd und im Stab
[AB] eine Zugkraft Fz.
b) Die Kraft Fz kann längs ihrer Wirkungslinie nach
B verschoben werden. Durch Zerlegung Fz von in
Fp und Fs erhält man die Kräfte auf die Wand.
c) In C drückt der Stab [AC] lotrecht mit der Kraft
Fd auf die Wand.
Leifi-Abschlusstest
Reibungskraft
Reibung tritt im täglichen Leben fast überall auf.
Manchmal ist sie erwünscht, manchmal will man sie vermeiden.
Beim Schieben der Kiste mit konstanter
Geschwindigkeit tritt eine besondere Form der
Reibung, die Gleitreibung auf. Bevor der Mann die
Kiste jedoch in Bewegung gesetzt hat, musste er
sich noch etwas mehr anstrengen, es trat eine
andere Form der Reibung auf, die Haftreibung.
Müsste die Kiste über längere Strecken geschoben
werden, so würde es sich lohnen Rollen unter die
Kiste zu legen, denn dann ist der Kraftaufwand
deutlich geringer. Die hierbei auftretende Reibung
wird als Rollreibung bezeichnet.
Arbeitsblatt + Buch S. 121 ff.
Verschiedene Kräfte in
der Natur
V 1: Magnet mit Eisenfeilspäne
Ergebnis: Magnete üben auf Magnete oder
ferromagnetische Stoffe anziehende bzw.
abstoßende Kraft (magnetische Kraft) aus.
V 2: Kunststoffstab reiben und in Papierschnipsel halten
Ergebnis: Elektrisch geladene Körper üben aufeinander
gegenseitig eine Kraft aus, die elektrische Kraft oder
Coulomb-Kraft.
Je nach Vorzeichen der Ladung ist die elektrische Kraft
abstoßend oder anziehend.
V 3: Elektromagnet
Ergebnis: Auch elektrischer Strom hat magnetische
Wirkung. Diese wird durch bewegte Ladungen
hervorgerufen. Man spricht hier von
Elektromagnetismus.
V 4: Leiterschaukel
Ergebnis: In Umkehrung zu V3 kann auch ein Magnet
Kraft auf bewegte elektrische Ladung ausüben. Diese
Kraft heißt Lorentzkraft.
Weitere Kräfte: Lies Buch S. 115