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Physik - Klassifizierung von Kräften

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Physik

Klassifizierung von Kräften

Für die Bewegungsgleichung $F = ma$ existieren 3 Arten von Kräften, welche voneinander unterschieden werden müssen.

Eingeprägte Kräfte

Die eingeprägten Kräfte $F^e$ sind die von außen auf einen Körper einwirkenden Kräfte. Die eingeprägte Kraft ist physikalisch vorgegeben, wie z.B. die Gewichtskraft $G$, die Luftwiderstandskraft $F_l$, die Reibungskraft $R$ oder die Federkraft $F_s$.

Beispiel

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Lässt man ein Objekt aus einer bestimmten Höhe fallen, so wirken diesem Körper eingeprägte Kräfte entgegen. 

Eingeprägte Kräfte am Beispiel eines Basejumpers
Eingeprägte Kräfte am Beispiel eines Basejumpers

Der Körper wird durch die Gravitation Richtung Erdmittelpunkt beschleunigt. Daraus resultiert die Gewichtskraft $F = mg$ als eingeprägte Kraft. Zudem wird dem Körper ein Luftwiderstand entgegen, wodurch der Körper abgebremst wird. Daraus resultiert die auf den Körper wirkenden Luftwiderstandskraft $F_l$.

Zwangskräfte

Zwangskräfte $F^z$ sind diejenigen Kräfte, die bewirken, dass ein Körper sich aus einem durch Zwangsbedingungen vorgeschriebenen Bereich nicht herausbewegen kann. Diese Zwangskräfte sind Normal (senkrecht) zur Bahn eines Massenpunktes. Beispiele für Zwangskräfte sind Kontaktkräfte, Lagerkräfte, Haftung.

Beispiel

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Ein betrachteter Körper (Fallschirmspringer), welcher auf den Erdmittelpunkt zusteuert wird irgendwann auf die Erdoberfläche auftreffen (landen) und dort liegen bleiben (stehen).

Landung eines Fallschirmspringers
Landung eines Fallschirmspringers

Die Erdoberfläche stellt in diesem Fall also eine Zwangskraft dar, weil sie den Körper daran hindert in Richtung Erdmittelpunkt zu beschleunigen.

Auf einen Menschen, welcher auf einer Bank sitzt, wirkt wieder als eingeprägte Kraft die Schwerkraft nach unten. Da der Mensch aber nicht in Richtung des Erdmittelpunktes beschleunigt wird, muss die Bank auf diesen eine Zwangskraft ausüben, die der Schwerkraft entgegengesetzt ist und diese genau aufhebt.

Trägheitskräfte

Trägheitskräfte sind Scheinkräfte, die aufgrund der Trägheit des Körpers auftreten.

Merke

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Die Trägheit eines Körpers wirkt immer so, dass er versucht, seinen Bewegungszustand beizubehalten.

Was genau bedeutet das? Um die Trägheitskräfte besser zu beschreiben, soll ein Beispiel aufgeführt werden.

Beispiel

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Man stelle sich einen Zug vor. Eine Person steigt in den Zug ein und nimmt Platz.

Zug, Innenraum
Zug, Innenraum

Der Zug befindet sich zunächst im Stillstand. Die Person befindet sich also ebenfalls im Stillstand. Plötzlich beginnt der Zug zu beschleunigen. Die Trägheit der Person versucht zunächst den Bewegungszustand beizubehalten d.h. also im Stillstand zu verharren, weshalb eine Scheinkraft die Person nach hinten in den Sitz drückt. Man kann sich das als verzögerte Reaktion vorstellen. Die Trägheit der Person will weiter im Stillstand verharren, während der Zug schon vorwärts fährt. Kurz nach dem Anfahren hat sich die Trägheit an die neue Bewegung gewöhnt und stellt sich auf den fahrenden Zug ein. Plötzlich bleibt der Zug stehen. Die Trägheit versucht wieder den Bewegungszustand beizubehalten und "will" weiter nach vorne fahren. Man spürt also eine Scheinkraft die einen nach vorne aus dem Sitz zieht. Kurz nach dem Stillstand hat sich die Trägheit an den Stillstand gewöhnt. 

Diese Trägheitskraft wird auch als d'Alembertsche Trägheitskraft bezeichnet. Sie kann als eine Kraft angesehen werden, welche entgegen der äußeren Kraft auf einen beschleunigten Körper wirkt und dort -formal gesehen- zu einem dynamischen Kräftegleichgewicht führt. Im Onlinekurs Dynamik wird dieses Thema ausführlich behandelt.

Merke

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Bei der nächsten Autofahrt, Zugfahrt oder Fahrradfahrt könnt ihr ganz einfach mal darauf achten, was beim Anfahren und abbremsen mit euch passiert.