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Technische Mechanik 1: Statik - Der Kraftbegriff

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Technische Mechanik 1: Statik

Der Kraftbegriff

Der Begriff der Kraft kennzeichnet sich dadurch, dass Kraft zwar allgegenwärtig wirkt, sie selbst dennoch nicht direkt beobachtet werden kann, sondern lediglich ihre Wirkung.

Beispiel: Kraft und Wirkung

Beispiel

Einen sehr einfachen Fall von Kraft und Kraftwirkung stellt die Muskelkraft dar. Durch Muskelspannung ist es möglich direkt Kraft auf andere Körper zu übertragen. Man stelle sich einen Bleistift vor, der von zwei Fingern einen Meter über dem Boden festgehalten wird. Im vereinfachten Fall haben wir nun zwei Kräfte, die zueinander im Gleichgewicht stehen. Zum einen die Muskelkraft, die den Bleistift fest zwischen den Fingern hält und zum anderen die Schwerkraft, welche aufgrund der Gravitation der Erde kontinuierlich versucht den Stift nach unten auf den Boden zu ziehen. Beide Kräfte wirken somit entgegengesetzt und halten den Stift in der Ruheposition einen Meter über dem Boden. Solange die Muskelkraft gleich der Schwerkraft ist, bleibt der Stift in dieser (Ruhe)-Position.

Andere Arten von Kräften finden sich überall in unserem alltäglichen Leben:

Gewichtskraft

Bereits kennengelernt haben wir die Gewichtskraft $G$ die mit der Schwerkraft gleichzusetzen ist. Die Gewichtskraft ist definiert als das Gewicht des betrachteten Körpers in kg multipliziert mit der Erdbeschleunigung von $g = 9,81 \frac{m}{s^2}$. Die Gewichtskraft wirkt immer senkrecht nach unten und greift im Schwerpunkt des betrachteten Körpers an. Ein Bleistift mit dem Gewicht von 50g hat damit eine Gewichtskraft in Höhe von $G = 0,05 kg \cdot 9,81 \frac{m}{s^2} = 0,4905 N$.

Die Einheit der Kraft ist Newton (N) und wird definiert als $1 N = \frac{kg \; m}{s^2}$. 

Normalkraft

Die Normalkraft ist definiert als die Zwangskraft, die eine Kontaktfläche (horizontale Ebene, schiefe Ebene etc.) auf einen Körper ausübt. Die Kontaktflläche verhindert also, dass der betrachtete Körper in Richtung Erdmittelpunkt beschleunigt wird. Die Normalkraft liegt immer senkrecht auf der betracheten Kontaktfläche. Bei einer horizontalen Ebene handelt es sich also um eine vertikal gerichtete Normalkraft. 

Reibungskraft

Die Reibungskraft tritt auf, wenn sich zwei berührende Körper gegeneinander bewegen. Die Reibung entsteht zwischen den Kontaktflächen von mindestens zwei sich berührenden Festkörpern. Unterschieden wird die Reibung in Haft- und Gleitreibung. Die Haftreibung beschreibt das haften von Körpern aneinander. Haftreibung ist notwendig für das alltägliche Leben. So haften die Reifen eines Autos beim Parken auf der Straßen (aufgrund von Reibung zwischen Asphalt und Reifen) und werden nicht vom Wind bewegt. Jeder Schritt bedeutet Haftreibung von Schuhsohle und Boden, ein Abstoßen wäre ohne Haftreibung nicht möglich. Auf dem Eis ist die Haftreibung minimal, so dass hier die Fortbewegung sehr schwer ist. Gleitreibung hingegen tritt an den Kontaktflächen zwischen Körpern auf, die sich relativ zueinander bewegen. Setzt sich das Auto nun also in Bewegung, so tritt während der Fahrt Reibung zwischen dem Boden und den Reifen auf, diese Reibung wird als Gleitreibung bezeichnet und ist der Bewegung des Fahrzeugs entgegengesetzt. Im letzten Kapitel dieses Kurses betrachten wir die Haft-, Gleit- und Seilreibung. 

Weitere Kräfte, die in diesem Kurs nicht behandelt werden sind:

  • Magnetische Kraft: Diese Kraft tritt bei magnetischen Körpern auf und kennzeichnet sich dadurch, dass diese Körper sich entweder anziehen oder abstoßen, je nachdem wie diese zueinander stehen.
  • Dampfkraft: Die Dampfkraft entsteht infolge von Druckveränderung von Fluiden, die in geschlossenen Behältern oberhalb ihrer jeweils spezifischen Siedetemperatur erhitzt werden. 
  • Federkraft: Eine Feder kann auf Grund ihrer Geometrie zwei Kräfte erzeugen, nämlich Druckkräfte und Zugkräfte. Druckkräfte entstehen in Folge eines Zusammendrückens der Feder und Zugkräfte entstehen durch das Strecken der Feder. Die Ursache der Kräfte liegt darin, dass die Feder den "Drang" besitzt wieder in ihre Ausgangsgeometrie zurück zu kommen. Hierbei spielen besonders die Begriffe Belastung und Entlastung eine wichtige Rolle.

Eine andere Möglichkeit Kräfte zu differenzieren erfolgt durch die Betrachtung wie sie auf andere Körper wirken:

  • Einzelkräfte: Eine Kraft wirkt auf einen Punkt auf der Oberfläche des Körpers.
  • Flächenkräfte: Kräfte wirken auf eine ganze Fläche des Körpers, beispielsweise der Druck des Wassers auf eine Staumauer.
  • Volumenkräfte: Kräfte wirken auf die gesamte Oberfläche eines Körpers ein. Ein einfaches Beispiel stellt ein Körper in einem Fluid dar.

Eine weitere, andersartige Unterscheidung erfolgt in späteren Abschnitten dieses Kurses.