Kräfte in der Physik – die beliebtesten Themen
Welche Kräfte gibt es in der Physik?
In der Physik unterscheidet man zwischen fundamentalen und abgeleiteten Kräften.
Die fundamentalen Kräfte entsprechen den fundamentalen Wechselwirkungen, die es in der Natur gibt. Zu diesen gehören:
- die Gravitationskraft
- die elektromagnetische Kraft
- die schwache und die starke Kernkraft
Von diesen Kräften lassen sich viele weitere Kräfte ableiten. Die Reibungskräfte zwischen zwei sich berührenden Oberflächen lassen sich zum Beispiel auf die elektromagnetischen Kräfte zurückführen, die zwischen den geladenen Teilchen der Oberflächen wirken. Weitere abgeleitete Kräfte sind zum Beispiel die Spann- oder Federkraft und die Auftriebskraft.
Im Physikunterricht beginnst du mit den sogenannten mechanischen Kräften. Damit sind einfach alle Kräfte gemeint, die dir in der klassischen Mechanik begegnen.
Wieso sind Kräfte gerichtet?
Wenn du gegen einen Fußball trittst, dann übst du eine Kraft auf den Ball aus. Wenn du härter gegen den Ball trittst, also der Betrag deiner Kraft größer ist, dann rollt der Ball weiter. Um aber genau vorauszusagen, wo der Ball hinfliegen wird, benötigst du auch noch die Richtung, in die du den Ball trittst. Das ist auch die Richtung der Kraft, die du aufbringst. Ohne sie können wir den Vorgang also nicht vollständig beschreiben.
Das ist der Grund dafür, warum eine Kraft immer eine Richtung hat. Mathematisch gesehen macht die Richtung die Kraft zu einem Vektor. Das ist auch der Grund, warum man über das Symbol für die Kraft (F) oft einen Pfeil schreibt: \(\vec{F}\). Trotzdem kommt es vor, dass du im Physikunterricht mit der Kraft rechnest, als wäre sie eine skalare Größe, also ohne Richtung. Das kannst du immer dann machen, wenn durch den Zusammenhang klar ist, in welche Richtung die Kraft wirkt, oder wenn du nur an ihrem Betrag interessiert bist.
Impulsänderung
Wenn eine Kraft bewirkt, dass ein Körper beschleunigt wird, dann ändert sich dabei sein Impuls. Der Impuls ist eine wichtige physikalische Größe, die man nutzen kann, um Bewegungszustände zu beschreiben. Berechnen lässt sich der Impuls \(p\) immer als das Produkt aus der Masse \(m\) des Körpers und seiner Geschwindigkeit \(v\):
\(\vec{p} = m \cdot \vec{v}\)
Wie du an dem Pfeil über dem \(p\) erkennen kannst, ist auch der Impuls ein Vektor. Die Beschleunigung, die ein Körper durch eine Kraft erfährt, kann seine Geschwindigkeit \(v\) verkleinern oder vergrößern. Wie du durch die Formel siehst, verkleinert oder vergrößert sich damit auch der Impuls des Körpers.
Eine Kraft kann allerdings auch nur die Richtung der Geschwindigkeit ändern. Weil die Richtungen von Geschwindigkeit und Impuls immer gleich sind, erfährt der Impuls ebenfalls eine Richtungsänderung. Auch um das beschreiben zu können, brauchen wir die Richtung der Kraft. Denn die ist ja schließlich dafür verantwortlich, wie sich die Richtung der Geschwindigkeit und des Impulses ändert.
Welche Regeln gelten für Kräfte?
Die drei newtonschen Gesetze sind die fundamentalen Bausteine der klassischen Mechanik. Sie behandeln die mechanischen Kräfte und die daraus resultierenden Bewegungen. Die drei Gesetzen sind auch unter folgenden Namen bekannt:
- Trägheitsprinzip
- Aktionsprinzip
- Wechselwirkungsprinzip
Mit diesen Prinzipien begründete Newton im Alleingang die klassische Mechanik. Mit ihnen konnten viele Phänomene grundlegend verstanden und berechnet werden. Newton selbst konnte beispielsweise mit diesen drei Prinzipien und seinem Gravitationsgesetz die keplerschen Gesetze, also die Bewegung der Planeten, erklären. Für die weitere Entwicklung der Physik als Wissenschaft waren die newtonschen Gesetze von unschätzbarem Wert.
Wenn du genau wissen willst, was es mit diesen drei Prinzipien auf sich hat, dann hilft dir unser Lernweg zu den newtonschen Gesetzen weiter.