Die physikalische Kraft

In der Physik hat die Kraft folgende Definition: Auf einen Körper wirkt eine Kraft, wenn sich seine Bewegung ändert. Dies bedeutet, dass der Körper durch das Wirken der Kraft entweder schneller oder langsamer werden muss oder seine ursprüngliche Richtung ändert. Doch auch wenn sich die Ausgangsform eines Körpers verändert, wirken auf diesen Körper Kräfte. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Verkehrsunfall.

Die Einheit der physikalischen Kraft ist Newton. Diese Einheit ist nach dem englischen Physiker Sir Isaac Newton benannt. Kräfte lassen sich mit Hilfe von sogenannten Kraftmessern messen. In dem Gehäuse eines solchen Kraftmessers befindet sich eine Feder. Diese Feder verformt sich unterschiedlich stark, je nach dem wie groß die Kraft ist, welche auf sie wirkt. Der Messbereich eines Kraftmessers, zeigt für welche Kräfte dieser Kraftmesser zu benutzen ist. Dieser ist unbedingt zu berücksichtigen, da sonst die Feder des Kraftmessers überlastet werden kann und somit der Kraftmesser irreparabel beschädigt wird. Für kleine Kräfte werden „weiche“ Federn benutzt und für größere Kräfte entsprechend „harte“. Vor jeder Messung muss der Kraftmesser justiert, also auf Null gestellt werden.

Kräfte können in gleiche aber auch in unterschiedlicher und entgegengesetzter Richtung wirken. In letzterem Fall heben sie sich gegenseitig (teilweise oder komplett) auf. Um beispielsweise einen Bauklotz über den Tisch zu ziehen, muss eine Zugkraft ausgeübt werden. Dies liegt an der zwischen dem Bauklotz und dem Tisch wirkenden Reibung. Durch die Reibung wird die Bewegung des Bauklotzes gebremst, also verändert. Die Reibung ist ebenfalls eine wirkende Kraft - die Reibungskraft. Um die Reibungskraft zu überwinden wird eine entsprechend große Zugkraft benötigt. Wenn der Bauklotz in eine gleichmäßige Bewegung versetzt wurde und gleichmäßig über den Tisch bewegt wird, so heben sich die Reibungskraft und die Zugkraft gegenseitig auf. Es herrscht also ein Kräftegleichgewicht.

Masse und Gewichtskraft

Beispiel: Astronaut mit Ausrüstung. Auf der Erde kann der Astronaut seine Ausrüstung nur unter großer Mühe tragen, auf dem Mond trägt er dieselbe Ausrüstung mühelos. Dies ist möglich, da auf der Erde und dem Mond unterschiedlich große Anziehungskräfte wirken. Die Erdanziehungskraft ist deutlich größer, als die Anziehungskraft des Mondes. Daher können auf der Erde viel größere Gewichtskräfte als auf dem Mond gemessen werden. Die Gewichtskräfte der Erde sich ungefähr 6mal so groß, wie auf dem Mond. Das bedeutet die Ausrüstung des Astronauten ist auf der Erde 6mal so schwer wie auf dem Mond. Dies erklärt, warum es dem Astronauten auf dem Mond sehr leicht fällt, seine Ausrüstung zu tragen.

Unterschiede zwischen Masse und Gewichtskraft

Die Gewichtskräfte sind immer vom jeweiligen Ort abhängig. Dies liegt an den Anziehungskräften, welche am jeweiligen Ort wirken und daran, dass diese von Ort zu Ort unterschiedlich sein können.

Die eigentliche Masse des Körpers ändert sich hierbei jedoch nie. Die Masse eines Körpers ist nicht abhängig vom Ort, an dem Sie gemessen wird. Sie ist stets gleich groß. Die SI-Einheit, also die Basiseinheit der Masse ist das Kilogramm. Sie ist durch die in Paris befindliche Referenzmasse, das Urkilogramm, festgelegt. Die Masse 1 Kilogramm entspricht der Masse von einem Liter Wasser bei einer Temperatur von 4°C.

Die Gravitationskraft

Der englische Physiker Sir Isaac Newton führte viele Experimente zur Erforschung der Kräfte durch. Anlass hierfür ist der Legende nach, dass Newton einen von seinem Apfelbaum fallenden Apfel beobachtete und sich fragte, wieso der Apfel herunter fiel, der Mond aber beispielsweise nicht. Der Äpfel fällt herunter, weil auf ihn die Anziehungskraft der Erde wirkt. Diese wirkt zwar auch auf den Mond und das trotz der großen Entfernung, jedoch stürzt dieser nicht auf die Erde, weil er selbige permanent umkreist. Die zwischen dem Mond und der Erde wirkenden Anziehungskräfte bringen ihn auf seine Umlaufbahn. Isaac Newton hat erkannt, dass die gleichen Kräfte, welche einen Apfel auf der Erde zu Boden fallen lassen, verhindern, dass sich der Mond von der Erde entfernt. Des Weiteren fand Newton heraus, dass: alle Körper einander anziehen, die Stärke der Anziehungskraft von der Masse der Körper abhängt und je weiter Körper von einander entfernt sind, desto geringer sind ihre Anziehungskräfte.

Die physikalische Arbeit

Bei der Ermittlung der physikalischen Arbeit spielen die wirkende Kraft und die zurückgelegte Strecke eine wichtige Rolle. Physikalisch wird nur dann Arbeit verrichtet, wenn ein Körper auf einer Strecke bewegt wird und dabei permanent eine Kraft in Richtung dieser Strecke wirkt. Die Arbeit ist umso größer, je mehr Kraft hierbei aufgewendet werden muss oder je länger die zurückgelegte Strecke ist. Die Arbeit lässt sich mit der Formel Arbeit = Kraft Weg (W = F s) berechnen. Die physikalische Einheit der Arbeit ist das Newtonmeter (Nm), welche oft auch als Joule bezeichnet wird.
Verschiedene Formen der mechanischen Arbeit

Bisher wurde lediglich die Hubarbeit betrachtet. Es gibt jedoch weitere Formen der mechanischen Arbeit. Diese sind beispielsweise: die Beschleunigungsarbeit, die Verformungsarbeit, die Spannarbeit und die Reibungsarbeit.
Auch ein Bremsvorgang zum Beispiel beim Rad- oder Autofahren ist Arbeit. Beim Radfahren kann unter Anderem mit Hilfe der Handbremse verlangsamt werden. Hierbei wird der Bremshebel gezogen und über eine kleine Strecke festgehalten. Dabei wirken Reibungskräfte zwischen den Bremsbelägen, den Felgen, dem Reifen und dem Straßenbelag. Es wird also Reibungsarbeit verrichtet, da verschiedene Kräfte entlang der Strecke wirken.

Im Alltag ist es oft sinnvoll nach Möglichkeiten zu suchen, mit denen physikalische Arbeit eingespart werden kann. Beispiele hierfür sind Rampen statt Treppen aber auch Hebel, Zahnradgetriebe, Flaschenzüge und Rollen. Mit Hilfe dieser einfachen Maschinen lässt sich beim Arbeiten Kraft sparen, jedoch werden die Strecken, welche zurückzulegen sind, größer. Daraus folgt, dass die physikalische Arbeit, welche aufgewendet werden muss, nicht eingespart werden kann.