Kraft hat in der Physik eine besondere Bedeutung und hat – anders als im Film – nichts mit der zugrunde liegenden Harmonie des Universums zu tun. In der Physik ist eine Kraft ein Stoß oder Zug, der aus einer Wechselwirkung zwischen zwei Objekten resultiert. Eine Kraft kann durch direkten Kontakt entstehen, beispielsweise durch ein Kind, das einen Wagen schiebt, oder durch Fernwirkung, wie beispielsweise durch die Anziehungskraft der Erde auf den Mond. Innerhalb dieser beiden großen Kategorien ist es möglich, mindestens 10 verschiedene Kräfte zu identifizieren, die dazu beitragen, das Universum zu formen und unsere Erfahrung darin zu beeinflussen.
Kontaktkräfte
Als er seine Bewegungsgesetze formulierte, stellte sich Sir Isaac Newton zweifellos die Kontaktkräfte als seine wichtigsten Beispiele vor. Dies sind die Kräfte, die aus der direkten physikalischen Wechselwirkung zwischen zwei Objekten resultieren. Nach Newtons zweitem Gesetz:
F=ma
eine Kraft der Größe F erzeugt eine Beschleunigung "a", wenn sie auf ein Objekt mit der Masse "m" ausgeübt wird.
Angewandte Kraft– Dies ist die am einfachsten zu verstehende Art von Kraft. Drücken Sie auf ein Objekt und das Objekt drückt zurück, sagt Newtons Erstes Gesetz, bis die Größe der Kraft die Trägheit des Objekts überwindet. An diesem Punkt beginnt sich das Objekt zu bewegen und beschleunigt, wenn keine anderen Kräfte vorhanden sind, um einen Betrag, der der Größe seiner Masse und der ausgeübten Kraft entspricht.
Normale Kraft– Kraft ist eine Vektorgröße, d. h. ihre Größe hängt von der Richtung ab. Bei jeder Interaktion zwischen zwei Objekten ist die Normalkraft die Kraft senkrecht zur Grenzfläche zwischen den interagierenden Objekten. Normalkraft erzeugt nicht immer Bewegung. Zum Beispiel übt ein Tisch eine Normalkraft auf ein Buch aus, um die Schwerkraft zu überwinden und das Buch am Herunterfallen zu hindern.
Reibungskraft– Reibungskraft widersetzt sich normalerweise der Bewegung. Das liegt daran, dass Oberflächen in der realen Welt nicht perfekt glatt sind. Die Größe der von einer Oberfläche ausgeübten Reibungskraft hängt vom Reibungskoeffizienten des Materials, aus dem die Oberfläche besteht, sowie des sich darauf bewegenden Objekts ab. Die Reibungskraft auf ein ruhendes Objekt, die sogenannte Haftreibung, unterscheidet sich von der auf ein sich bewegendes Objekt, die als Gleitreibung bezeichnet wird.
Luftwiderstand– Objekte, die sich durch die Erdatmosphäre bewegen, treffen auf eine Widerstandskraft, die durch die Reibung der Luftmoleküle entsteht. Diese Kraft wird mit zunehmender Geschwindigkeit und zunehmender Oberfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung stärker. Es ist eine wichtige Größe in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Vorspannkraft– Binden Sie eine Schnur an einen festen Gegenstand, ziehen Sie am anderen Ende und die Schnur zieht sich zurück, bis sie reißt. Die Kraft, die die Saite ausübt, ist die Zugkraft, die entlang ihrer Länge ausgeübt wird. Es ist eine Eigenschaft des Materials, aus dem die Saite besteht, sowie des Durchmessers.
Federkraft– Die Kraft, die zum Zusammendrücken einer Feder erforderlich ist, hängt vom Material der Feder, dem Durchmesser des Drahts, der die Windungen bildet, und der Anzahl der Windungen ab. Diese Eigenschaften werden in einer für die Feder charakteristischen Zahl quantifiziert, die als Federkonstante "k" bezeichnet wird. Die Kraft, die benötigt wird, um die Feder um eine Strecke "x" zu komprimieren, wird durch das Hookesche Gesetz gegeben:
F=kx
Aktion auf Distanz Kräfte
Die fundamentalen Naturkräfte, die die Planeten drehen und die Sonne und die Sterne brennen lassen, wirken alle auf Distanz. Ohne sie würde das uns bekannte Universum wahrscheinlich nicht existieren oder wäre es ein ganz anderer Ort.
Erdanziehungskraft– Der Grund für die Existenz dieser Kraft ist ein Rätsel, aber wenn sie nicht existierte, könnten sich Planeten und Sterne nicht bilden. Die Größe der Gravitationskraft, die Objekte aufeinander ausüben, hängt von den Massen der Objekte und dem Kehrwert des Quadrats des Abstands zwischen ihnen ab. Je massiver die Objekte und/oder je kürzer der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist die Kraft.
Elektromagnetische Kraft– Obwohl sie nicht gleich zu sein scheinen, hängen Elektrizität und Magnetismus zusammen. Fließende Elektronen erzeugen Magnetismus und ein beweglicher Magnet erzeugt Elektrizität. Der Zusammenhang zwischen diesen Phänomenen wurde im 19. Jahrhundert vom schottischen Physiker James Clerk Maxwell erklärt und in seinen Gleichungen quantifiziert. Elektrizität übt eine Kraft über die Anziehung oder Abstoßung geladener Teilchen aus, während die magnetische Kraft auf die Anziehung oder Abstoßung durch magnetische Pole zurückzuführen ist.
Die starke Kraft– Da alle Protonen positiv geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab, und sie könnten keinen Atomkern bilden, wenn nicht die starke Kraft vorhanden wäre, die sie zusammenhält. Die starke Kraft ist die stärkste Kraft in der Natur. Es ist auch dasjenige, das Quarks zusammenbindet, um Protonen und Neutronen zu bilden.
Die schwache Kraft– Die schwache Kraft ist eine weitere grundlegende Kernkraft. Es ist stärker als die Schwerkraft, aber es funktioniert nur auf verschwindend kurze Distanzen. Die schwache Kraft wird von subatomaren Energiebündeln, den Bosonen, getragen und bewirkt, dass sich Protonen während des Kernzerfalls in Neutronen und umgekehrt verwandeln. Ohne diese Kraft wäre eine Kernfusion unmöglich, und Sterne wie die Sonne würden nicht existieren.