Grundlagen der Mechanik und Newtonsche Gesetze

Grundlagen der Kräfte

Eine Kraft kann eine Verformung oder eine Bewegung eines Körpers verursachen. Die Stärke von Kräften wird in der Einheit Newton (N) gemessen.

Eigenschaften eines Kraftvektors

• Angriffspunkt: Der Punkt, an dem die Kraft ansetzt.
• Betrag: Der numerische Wert der Kraft, der der Länge des Vektors entspricht.
• Richtung: Die Richtung, in die die Kraft wirkt.

Ein Kraftvektor wird grafisch durch einen Pfeil dargestellt.

Arten von Kräften

In der Mechanik unterscheidet man zwischen:

• Kontaktkräften: Kräfte, die bei direktem Kontakt auf einen Körper wirken.
• Fernkräften: Kräfte, die über eine Distanz zwischen zwei Körpern wirken.

Die Resultierende ist die Summe aller auf einen Körper wirkenden Kräfte.

Das Hookesche Gesetz

Die Verlängerung oder Stauchung einer Feder ist proportional zur wirkenden Kraft: F = k · x. Ein Dynamometer ist ein kalibriertes Gerät zur Messung dieser Kraftwerte.

Die Newtonschen Gesetze

1. Trägheitsprinzip (Inertia)

Wenn die resultierende Kraft auf einen Körper Null ist (R = 0N), verharrt der Körper in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Je größer die Masse, desto größer ist die Trägheit.

2. Grundgesetz der Dynamik

Wenn die resultierende Kraft nicht Null ist (R ≠ 0N), erfährt der Körper eine Beschleunigung, die proportional zur Kraft und umgekehrt proportional zur Masse ist: F = m · a.

3. Aktions- und Reaktionsprinzip

Übt ein Körper eine Kraft auf einen anderen aus (Aktion), so übt dieser eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft auf den ersten aus (Reaktion).

Gewichtskraft und Gravitation

• Gewichtskraft (P): Die Anziehungskraft der Erde auf einen Körper, gerichtet zum Erdmittelpunkt. Gemessen in Newton (N).
• Normalkraft (N): Die Kraft, die senkrecht zur Oberfläche wirkt und eine Verformung verhindert.

Universelles Gravitationsgesetz

Die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern ist direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands:

F = G · (m₁ · m₂) / r²

Dabei ist G die Gravitationskonstante: G = 6,67 · 10⁻¹¹ N·m²/kg².