Grundlagen der Physik: Kräfte, Druck und Gravitation

Definition der Kraft

Eine Kraft ist jede Maßnahme, die den Zustand der Ruhe oder der Bewegung eines Körpers verändern kann. Kräfte sind zwar nicht direkt sichtbar, ihre Wirkungen jedoch beobachtbar.

Einheit der Kraft

Die Einheit der Kraft ist das Newton (N). Ein Newton ist die Kraft, die einem Körper mit einer Masse von einem Kilogramm eine Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde zum Quadrat (1 m/s²) verleiht.

Messung von Kräften

Kräfte werden mit einem Kraftmesser gemessen, der meist aus einem zylindrischen Rohr besteht. Das Hookesche Gesetz besagt dabei, dass die auf eine Feder ausgeübte Kraft und deren Dehnung direkt proportional zueinander sind.

Kilopond (Kilogramm-Kraft)

Im Alltag werden Kräfte oft in Kilogramm ausgedrückt. Die Einheit Kilogramm-Kraft wird in der Wissenschaft jedoch nicht mehr verwendet. Es gilt: 1 kg ≈ 9,8 N.

Darstellung von Kräften

Kräfte werden durch Pfeile dargestellt, die als Kraftvektoren bezeichnet werden. Ein Vektor besitzt folgende Elemente:

• Intensität: Der numerische Wert der Kraft, dargestellt durch die Länge des Vektors.
• Angriffspunkt: Der Ort, an dem die Kraft wirkt (Ursprung des Vektors).
• Richtung: Vertikal, horizontal oder geneigt.
• Sinn: Die Orientierung in der Richtung, angegeben durch die Spitze des Pfeils.

Die Wirkungslinie ist die Gerade, auf der der Kraftvektor liegt.

Zusammensetzung von Kräften

Auf einen Körper können mehrere Kräfte gleichzeitig wirken. Die resultierende Kraft ist die Gesamtkraft, die die gleiche Wirkung hat wie alle Einzelkräfte zusammen.

Gewicht und Schwerpunkt

Das Gewicht ist die Kraft, mit der die Erde einen Körper anzieht. Diese Anziehungskraft wird als Gravitation bezeichnet und wirkt immer in Richtung des Erdmittelpunkts.

Der Schwerpunkt eines Körpers ist der Punkt, in dem sich das gesamte Gewicht aller Teilchen, aus denen der Körper besteht, vereint.

Druck (P)

Der Druck ist das Verhältnis zwischen der ausgeübten Kraft und der Fläche, auf die sie wirkt. Die Einheit des Drucks ist das Pascal (Pa).

Atmosphärendruck

Der Atmosphärendruck ist der Druck der Atmosphäre auf die Erdoberfläche und alle Körper. Der italienische Physiker Torricelli führte 1643 das Experiment durch, um den Wert des Luftdrucks zu bestimmen.

Barometer

Barometer sind Geräte zur Messung des Luftdrucks. Es gibt zwei Haupttypen:

• Quecksilberbarometer: Eine Skala, bei der die Höhe des Quecksilbers direkt im Rohr abgelesen wird.
• Aneroidbarometer: Ein Metallgehäuse, das sich bei Druckschwankungen verformt und den Wert über eine Nadel anzeigt.