Die Grundlagen der Kraft und Dynamik: Newtons Gesetze

Definition und Eigenschaften der Kraft (Physik)

Die Kraft ist die physische Ursache, die in der Lage ist, den Bewegungszustand oder die Form eines Körpers zu verändern oder eine Verformung hervorzurufen. Sie kann einen Körper aus dem Ruhezustand in Bewegung versetzen oder seine Geschwindigkeit ändern.

Die Kraft als Vektorgröße

Die Kraft ist eine Vektorgröße. Ihre Größe (Magnitude) wird in der Internationalen Einheit Newton (N) gemessen.

Merkmale zur vollständigen Bestimmung einer Kraft

Um den Charakter einer Kraft vollständig zu bestimmen, müssen vier Vektoreigenschaften bekannt sein:

• Angriffspunkt: Der Punkt, an dem die Kraft auf den Körper einwirkt. Er repräsentiert den Ausgangspunkt des Kraftvektors.
• Betrag (Modul) oder Intensität: Der numerische Wert, der die Stärke der Kraft in Newton angibt. Er entspricht der Länge des Vektorpfeils.
• Richtung: Die Linie, entlang der die Kraft wirkt.
• Sinn (Orientierung): Die spezifische Ausrichtung der Kraft entlang der Richtung. Der Vektor wird durch den Pfeil an seinem Ende dargestellt.

Dynamik und Kraftmessung

Die Dynamik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit der Analyse der Veränderungen in der Bewegung von Körpern befasst, verursacht durch Kräfte.

Arten von Kräften

• Kontaktkräfte: Kräfte, die durch direkte Berührung zwischen Körpern übertragen werden (z. B. Stoß).
• Fernkräfte (Abstandskräfte): Kräfte, die über eine Distanz wirken, ohne direkten Kontakt zwischen den Körpern (z. B. Gravitation).

Resultierende Kraft (R)

Die Resultierende Kraft (R) ist die einzelne Kraft, die die gleiche Wirkung auf einen Körper hat wie die Summe aller tatsächlich auf ihn einwirkenden Einzelkräfte.

Kraftmessung

Das Dynamometer ist ein Gerät zur Messung von Kraftwerten. Es basiert im Wesentlichen auf einer kalibrierten Feder. Die Dehnung oder Stauchung einer Feder ist proportional zur aufgebrachten Kraft (Hookesches Gesetz).

Die Grundprinzipien der Dynamik (Newtonsche Gesetze)

1. Das Trägheitsprinzip (1. Newtonsches Gesetz)

   Wirkt die Resultierende aller auf einen Körper wirkenden Kräfte Null (R = 0 N), so behält der Körper seinen Bewegungszustand bei. Ein Körper im Ruhezustand bleibt in Ruhe, und ein Körper in Bewegung setzt seine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (gleichförmige geradlinige Bewegung) fort.

   Die Trägheit ist der Widerstand eines Körpers gegen die Änderung seines Bewegungszustandes. Körper mit größerer Masse besitzen eine höhere Trägheit.

   Gleichgewicht der Kräfte: Wenn die Summe aller Kräfte Null ist, befindet sich der Körper im Gleichgewicht, d.h., er bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit oder ist gestoppt. Umgekehrt gilt: Wenn ein Körper ruht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, herrscht ein Kräftegleichgewicht.

2. Das Grundgesetz der Dynamik (2. Newtonsches Gesetz)

   Ist die Resultierende der auf einen Körper wirkenden Kräfte ungleich Null (R ≠ 0 N), so wird der Körper in Richtung dieser Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist proportional zur Kraft und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers.

   Dies wird durch die folgende Formel ausgedrückt: F = m · a (Kraft = Masse mal Beschleunigung).

3. Das Wechselwirkungsprinzip (3. Newtonsches Gesetz)

   Übt ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft (Aktion) aus, so übt Körper B gleichzeitig auf Körper A eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft (Reaktion) aus.

   Dieses Prinzip gilt beispielsweise für das Gewicht (P) und die Normalkraft (N).