Grundlagen der Mechanik: Kraft, Gewicht und Energie
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Definition der Kraft
Eine Kraft ist jede Einwirkung, die einen Körper verformen oder seinen Zustand der Ruhe oder Bewegung ändern kann.
Formel: Kraft = Masse · Beschleunigung (F = m · a)
Darstellung von Kräften
Kräfte werden durch Pfeile dargestellt. Die Länge des Pfeils zeigt die Stärke, die Richtung des Pfeils die Wirkungsrichtung an.
Arten von Kräften
- Momentankräfte: Wirken nur für eine sehr kurze Zeit (z. B. das Treten eines Balls).
- Konstante Kräfte: Wirken kontinuierlich (z. B. die Schwerkraft der Erde).
Die Einheit der Kraft im SI-System ist das Newton (N).
Schwerkraft und Gewicht
Die Schwerkraft bewirkt, dass alle Körper frei fallen. Die dabei auftretende Beschleunigung nennen wir Fallbeschleunigung (g). Auf der Erde beträgt der Wert ca. g = 9,8 m/s².
Das Gewicht eines Körpers ist die Anziehungskraft, die die Schwerkraft auf ihn ausübt. Es hängt ab von:
- Der Masse des Körpers.
- Der lokalen Schwerebeschleunigung.
Mathematische Formel: Gewicht = Masse · Erdbeschleunigung (P = m · g)
Masse vs. Gewicht
Die Masse ist die Menge an Materie und bleibt überall konstant. Das Gewicht hingegen ist abhängig vom Ort (z. B. auf verschiedenen Planeten unterschiedlich).
Auftrieb (Archimedisches Prinzip)
Der Auftrieb entspricht dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit:
E = V · dL · g
Wobei V das Volumen der verdrängten Flüssigkeit, dL die Dichte der Flüssigkeit und g die Erdbeschleunigung ist.
Schwimmverhalten
- Gewicht < Auftrieb: Der Körper schwimmt an der Oberfläche.
- Gewicht = Auftrieb: Der Körper schwebt im Gleichgewicht.
- Gewicht > Auftrieb: Der Körper sinkt.
Bewegungsgesetze
Ein Körper ändert seinen Bewegungszustand nur, wenn eine Kraft auf ihn einwirkt. Nach Galileo gilt: Ein bewegter Körper, auf den keine Kräfte wirken, bewegt sich mit gleichförmiger geradliniger Bewegung weiter.
Eine konstante Kraft erzeugt eine konstante Beschleunigung (a = F / m).
Festkörper
Verformbare Festkörper
- Plastische Körper: Verformen sich unter Krafteinwirkung dauerhaft.
- Elastische Körper: Kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, sobald die Kraft aufhört zu wirken.
Nicht verformbare Festkörper (Starre Körper)
Diese verformen sich nicht. Bei extrem großen Kräften kommt es zum Bruch.
Gleichgewicht und Energie
Ein Körper befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Resultierende aller wirkenden Kräfte gleich Null ist.
Arbeit
Die Arbeit (W) berechnet sich aus Kraft (F) mal Weg (d): W = F · d. Die Einheit ist das Joule (J).
Energieformen
- Kinetische Energie: K = 1/2 · m · v²
- Potentielle Energie: Ep = P · h