Was sind Kräfte? (Physik)

Während Sie das Wort „Kraft“ wahrscheinlich kennen und in alltäglichen Gesprächen gehört haben („Ich hatte keine Wahl – er hat mich dazu gezwungen!“), kennen Sie die physikalische Definition von Kraft?

In diesem Artikel erfahren Sie nicht nur, was eine Kraft wirklich ist, sondern auch, woher die Idee stammt und wie sie in der Physik verwendet wird.

Um in die richtige physikalische Denkweise zum Verständnis von Kräften zu gelangen, erinnern Sie sich an Ihr Wissen Bewegung. Sie können die Position eines Objekts (Ort im Raum) beschreiben und beschreiben, wie sich diese Position mit der Zeit ändert; die Positionsänderungsrate pro Zeiteinheit ist dieGeschwindigkeit. Sie können auch beschreiben, wie sich diese Geschwindigkeit ändert – die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit heißtBeschleunigung​.

Diese physikalischen Größen – Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung – sind alle Vektorgrößen, was bedeutet, dass ihnen Größe und Richtung zugeordnet sind.

Wenn sich ein Objekt in Ruhe befindet, z. B. ein Stein auf einem Bürgersteig, sind Sie wahrscheinlich ziemlich sicher, dass es dort bleibt, bis es sich durch etwas bewegt. Entweder tritt jemand, der den Bürgersteig entlang geht, dagegen, oder vielleicht ist der Fels leicht genug, um von einem starken Wind geschoben zu werden. Wenn dies geschieht, ändert sich seine Bewegung. Die physikalische Größe, die diese Veränderung verursacht, ist, wie wir lernen werden, eine Kraft.

Sie haben wahrscheinlich auch das Gefühl, dass bestimmte Objekte schwieriger zu bewegen sind als andere. Stellen Sie sich einen kleinen Kieselstein im Vergleich zu einem schweren Felsbrocken vor. Du müsstest den Felsbrocken viel härter treten, damit er sich bewegt. Wenn sich bereits zwei Objekte – ein leichtes und ein schweres – bewegen, ist es viel schwieriger, das schwerere zum Stillstand zu bringen.

Dieser Widerstand eines Objekts gegen jede Änderung seiner Bewegung wird als sein. bezeichnet Trägheit. Wie viel Kraft erforderlich ist, um eine bestimmte Änderung zu bewirken, hängt von der Masse ab, die ein Maß für die Trägheit ist.

Die Idee einer Kraft gibt es schon lange, aber sie wurde größtenteils aufgrund von Fehlinterpretationen von Reibung nicht richtig verstanden.

Aristoteles schlug vor, dass alle Objekte einen natürlichen Zustand haben, in dem sie ruhen wollen und dies tun werden, wenn keine Kraft einwirkt. Er benutzte diesen Begriff, um zu erklären, warum Objekte auf die Erde fallen oder langsam zum Stillstand kommen, nachdem sie gestoßen wurden.

Galileo widerlegte jedoch diese Idee und erklärte die Existenz einer Bremskraft namens Reibung. Er stellte fest, dass sich Objekte geradlinig bewegen würden, wenn sie nicht durch Reibung gebremst würden.

Sir Isaac Newton gab Galileis Beobachtungen mit seinem berühmten drei Bewegungsgesetze. Er konnte beschreiben, was Kräfte bewirken, wie sie wirken und sogar Zahlen mit Einheiten dem Konzept zuordnen.

Newtons erstes Bewegungsgesetz – manchmal auch Trägheitsgesetz genannt – besagt, dass ein ruhender Körper im Ruhezustand bleibt, es sei denn, eine unausgeglichene Kraft wirkt auf ihn. Dieser Teil ist ziemlich intuitiv, wenn man daran zurückdenkt, den Stein auf dem Bürgersteig zu treten. Darüber hinaus besagt dieses Gesetz, dass jedes Objekt, das eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit auf einem geradlinigen Weg) durchmacht, dies auch weiterhin tut, es sei denn, es wird von einer externen Nettokraft beeinflusst.

Dieser zweite Teil des ersten Gesetzes ist weniger intuitiv, da Objekte in unseren alltäglichen Interaktionen nicht dazu neigen, sich für immer zu bewegen. Aber das liegt daran, dass auf sie eine Widerstandskraft einwirkt, die Reibung genannt wird.

Newtons zweites Bewegungsgesetz besagt, dass die Nettokraft auf ein Objekt (das ist die Vektorsumme aller wirkenden Kräfte) gleich dem Produkt der des Objekts ist Masse und Beschleunigung. Mit anderen Worten:

Newtons zweites Bewegungsgesetz konnte erklären, warum man auf schwere Gegenstände stärker drücken muss als auf leichtere Gegenstände, um sie dazu zu bringen, ihre Bewegung zu ändern. Es bezog die Kraft auch formal auf die physikalische Größe der Beschleunigung, die die Änderung der Bewegung des Objekts ist.

Newtons drittes Bewegungsgesetz erklärte weiter, wie Kräfte paarweise auftreten. Es besagt, dass, wenn Objekt A eine Kraft auf Objekt B ausübt, Objekt B eine Kraft auf Objekt A ausübt, die gleich groß ist und in die entgegengesetzte Richtung der Kraft auf Objekt B gerichtet ist.

Newtons drittes Gesetz erklärt, warum Waffen beim Abschuss zurückprallen und warum man, wenn man auf einem Skateboard steht und gegen eine Wand drückt, rückwärts rollt.

Eine Kraft kann man sich als Stoß oder Zug vorstellen. Wenn nur eine einzige Kraft auf ein Objekt wirkt, bewirkt diese einzelne Kraft, dass sich die Bewegung des Objekts umgekehrt proportional zu seiner Masse ändert.

Kraft ist eine Vektorgröße, dh sie hat Betrag und Richtung. Die Richtung einer Nettokraft ist immer gleich der Richtung der Beschleunigung oder Änderung von Bewegung (die in Situationen, in denen sich ein Objekt verlangsamt, entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung sein kann) Nieder.)

Die SI-Einheit der Kraft ist Newton mit 1 N = 1 kgm/s². Die CGS-Einheit ist der Dyn mit 1 Dyn = 1 gcm/s².

Sie wissen bereits, dass Sie selbst eine Kraft auf einen Gegenstand ausüben können, indem Sie ihn schieben oder ziehen. Dies wird als Kontaktkraft bezeichnet, da sie Kontakt erfordert. Aber es gibt auch viele andere Arten von Kräften.

Eine Liste einiger gemeinsamer Kräfte, denen Sie beim Physikstudium begegnen, sind die folgenden:

• ​Erdanziehungskraft:Das Schwerkraft auf einem Objekt kann während einer freien Fallbewegung beobachtet werden, bei der ein Objekt in Richtung Boden beschleunigt wird. Aber die Gravitationskraft ist auch das, was Planeten in der Umlaufbahn hält und Sie davon abhält, in den Weltraum zu fliegen.
• ​Normale Kraft:Dies ist eine Stützkraft, die senkrecht zu einer Oberfläche wirkt und verhindert, dass Gegenstände durch den Boden oder eine Tischplatte fallen.
• ​Elektromagnetische Kraft:Dies bezieht sich kollektiv auf magnetische Kräfte und elektrostatische Kräfte. Diese Arten von Kräften sind das Ergebnis von Ladungen oder bewegten Ladungen. Dies ist der Grund, warum sich Elektronen gegenseitig abstoßen und Magnete zusammenkleben.
• ​Reibungskräfte:Das Reibungskraft ist eine Kraft, die der Bewegung eines Objekts entgegenwirkt. Aus diesem Grund ist es schwieriger, ein Buch über den Tisch zu schieben, als ein Buch über eine Eisfläche zu schieben. Die Reibungskraft variiert je nach den miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen.
• ​Luftwiderstand:Diese Kraft ist der Reibung ähnlich. Sie entsteht dadurch, dass die Luft selbst der Bewegung der durch sie fallenden Objekte entgegenwirkt. Wenn ein Objekt lange genug fällt, wird es durch die Kraft des Luftwiderstands seine Endgeschwindigkeit erreichen.
• ​Vorspannkraft:Dies ist eine Art von Kraft, die entlang einer Schnur, einem Draht oder ähnlichem übertragen wird.
• ​Andere fundamentale Kräfte:Es gibt vier grundlegende Naturkräfte. Zwei sind die Schwerkraft und der Elektromagnetismus, die bereits aufgeführt wurden, und die anderen beiden sind die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft. Diese letzten beiden betreffen normalerweise nur Dinge auf subatomarer Skala, weshalb Sie vielleicht noch nie davon gehört haben.

Newtons zweites Gesetz erwähnt a Nettokraft. Die Nettokraft auf ein Objekt ist die Vektorsumme aller auf ein Objekt wirkenden Kräfte.

Sie können beispielsweise zwei Personen mit gleichen Kräften gegen einen Block in entgegengesetzte Richtungen schieben. Aber die Nettokraft ist am Ende 0, was bedeutet, dass sich der Block nicht bewegt, weil sich diese beiden Kräfte gegenseitig aufheben.

Freikörperdiagramme sind Skizzen, die Sie zeichnen können, um die Größe und Richtung jedes Kraftvektors auf einem Objekt anzugeben, wobei ein Pfeil proportionaler Länge in Richtung der Kraft zeigt. Wenn Sie physikalische Probleme mit Kräften lösen, werden Sie wahrscheinlich viele dieser Diagramme skizzieren, weil es hilft zu visualisieren, welche Kräfte wirken und macht klarer, wie man die Kräfte addiert, um das Netz zu erhalten Macht.

Wenn auf ein Objekt keine Nettokraft wirkt, bedeutet dies nach dem zweiten Newtonschen Gesetz, dass die Beschleunigung des Objekts 0 ist. Mit anderen Worten, das Objekt muss eine konstante Geschwindigkeit haben.

• Beachten Sie, dass konstante Geschwindigkeit nicht gleich Geschwindigkeit 0 ist. Auf ein Objekt, das sich beispielsweise mit konstant 2 m/s bewegt, wirkt zwangsläufig keine Nettokraft.

Sie haben vielleicht schon von einer Kraft namens Zentripetalkraft gehört. Dies wurde im vorherigen Abschnitt nicht mit den anderen Kräften aufgeführt, da es sich eigentlich um eine Art Nettokraft handelt. Es ist die Nettokraft in radialer Richtung für jedes Objekt, das eine Kreisbewegung durchmacht.

Eine Kreisbewegung, selbst bei konstanter Geschwindigkeit, ist keine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, da sie keinen geradlinigen Weg beibehält. Eine Kombination von Kräften muss wirken, um eine Kreisbewegung zu bewirken. Die Zentripetalkraft ist die radiale Nettokraft, die diese Art von Bewegung verursacht.

• Zentripetalkraft nicht mit Zentrifugalkraft verwechseln. Letzteres gilt eigentlich als Pseudo-Kraft. Es ist die Kraft, die auf ein sich kreisförmig bewegendes Objekt zu wirken scheint. Wenn Sie beispielsweise in einem Auto sitzen, das um eine Ecke biegt, fühlen Sie sich möglicherweise, als würden Sie gedrückt gegen die Seite des Autos, aber was tatsächlich passiert, ist, dass eine Kraft Sie in eine geschwungener Weg.

Bestimmte Kräfte scheinen kontaktlos auf mysteriöse Weise zu wirken. Ein bekanntes Beispiel ist die Gravitationskraft. Wenn ein Objekt fallen gelassen wird, zieht die Erde dieses Objekt an sich heran, ohne es zu berühren.

Ein mathematisches Werkzeug, das Physiker entwickelt haben, um dieses Phänomen zu beschreiben, ist der Begriff eines Feldes. (Ja, ein „Kraftfeld“, aber nicht die Art, die dich vor Photonentorpedos schützt!)

Ein Gravitationsfeld ist die Zuordnung eines Vektors zu jedem Punkt im Raum, der die relative Größe und Richtung der Gravitationskraft an diesem Ort unabhängig davon, welches Objekt dort eine Kraft erfahren kann Lage. Der Wert des Gravitationsfeldes an einem bestimmten Punkt wäre einfach die Gravitationskraft, die von einer Masse empfunden würdeichan dieser Stelle, aber geteilt durchich​.

Diese Vorstellung von einem Kraftfeld ermöglicht eine Erklärung dieser „mysteriösen“ Kräfte, die zu wirken scheinen seem ohne etwas zu berühren, indem die Kraft als Ergebnis der Interaktion eines Objekts mit dem Feld.

Genau wie Gravitationsfelder können Sie auch ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld haben, die die relative Kraft pro Ladungseinheit oder (Kraft pro magnetischer Momenteinheit), die ein Objekt in irgendeiner Weise fühlen würde Lage.