Physik Realschule Bayern › Mechanik › Jahrgangsstufe 7
Kraft und Kraftwirkungen
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 7 · Bayern · Teilbereich Mechanik
Im Lernbereich Mechanik der 7. Jahrgangsstufe führen Lernende laut LehrplanPLUS Verformungen und Änderungen des Bewegungszustands auf Kräfte zurück und unterscheiden den physikalischen Kraftbegriff von der Alltagssprache. Kraftpfeile mit Maßstab werden bis zur Abschlussprüfung immer wieder gebraucht, etwa bei Gewichtskraft, Reibung oder Auftrieb.
Woran man eine Kraft erkennt
Eine Kraft selbst ist nicht sichtbar. Man erkennt sie nur an ihrer Wirkung. Kräfte können einen Körper verformen oder seinen Bewegungszustand ändern, also ihn schneller oder langsamer machen oder seine Bewegungsrichtung ändern. Eine Kraft tritt immer zwischen zwei Körpern auf: Ein Fuß wirkt auf einen Ball, die Erde auf einen Apfel, ein Magnet auf einen Nagel.
Bei einer elastischen Verformung nimmt der Körper danach wieder seine alte Form an (Feder, Gummiband, Trampolin). Bei einer plastischen Verformung bleibt die Formänderung bestehen (Knete, Delle im Autoblech).
Kraft im Alltag und in der Physik
Umgangssprachlich wird „Kraft“ für vieles benutzt, das in der Physik keine Kraft ist. In der Physik ist eine Kraft immer eine Einwirkung eines Körpers auf einen anderen, die eine Verformung oder eine Änderung des Bewegungszustands hervorrufen kann.
| Ausdruck | Bedeutung in der Physik |
| „Er hat viel Kraft.“ | Gemeint ist: Er kann große Kräfte ausüben. Eine Kraft „besitzt“ man nicht. |
| „Kraftstoff“ | Ein Energieträger, keine Kraft |
| „Willenskraft“, „Kraft der Musik“ | Keine physikalische Größe |
| „Der Fuß übt eine Kraft auf den Ball aus.“ | Physikalisch korrekt: Ein Körper wirkt auf einen anderen. |
Kraft als gerichtete Größe: der Kraftpfeil
Die Kraft hat das Formelzeichen \(F\) und die Einheit Newton \((\mathrm{N})\). Zur Orientierung: Auf eine Tafel Schokolade mit \(100\,\mathrm{g}\) wirkt auf der Erde eine Gewichtskraft von knapp \(1\,\mathrm{N}\). Die Wirkung einer Kraft hängt nicht nur von ihrem Betrag ab, sondern auch von ihrer Richtung und ihrem Angriffspunkt. Deshalb wird eine Kraft durch einen Pfeil dargestellt:
Merke: Der Kraftpfeil beginnt im Angriffspunkt, zeigt in Richtung der Kraft, und seine Länge gibt den Betrag in einem festgelegten Maßstab an.
Gemessen werden Kräfte mit einem Federkraftmesser. Je größer die Kraft, desto weiter wird die Feder gedehnt; die Skala ist deshalb gleichmäßig eingeteilt. Warum das so ist, erklärt das Gesetz von Hooke.
Beispiel 1: Einen Kraftpfeil zeichnen
Ein Kind zieht einen Schlitten mit einer Kraft von \(30\,\mathrm{N}\) waagrecht nach rechts. Die Kraft soll im Maßstab \(1\,\mathrm{cm}\mathrel{\widehat{=}}10\,\mathrm{N}\) gezeichnet werden.
Gegeben: \(F=30\,\mathrm{N}\), Maßstab \(1\,\mathrm{cm}\mathrel{\widehat{=}}10\,\mathrm{N}\)
Gesucht: Pfeillänge
Formel: Pfeillänge = Kraft : Kraft pro Zentimeter
\( \text{Pfeillänge}=\dfrac{30\,\mathrm{N}}{10\,\mathrm{\frac{N}{cm}}}=3\,\mathrm{cm} \)
Antwort: Der Pfeil ist \(3\,\mathrm{cm}\) lang, beginnt am Angriffspunkt (Zugseil am Schlitten) und zeigt nach rechts.
Beispiel 2: Einen Kraftpfeil ablesen
Ein Kraftpfeil ist \(4{,}5\,\mathrm{cm}\) lang. Der Maßstab lautet \(1\,\mathrm{cm}\mathrel{\widehat{=}}20\,\mathrm{N}\). Wie groß ist die Kraft?
Gegeben: Pfeillänge \(4{,}5\,\mathrm{cm}\), Maßstab \(1\,\mathrm{cm}\mathrel{\widehat{=}}20\,\mathrm{N}\)
Gesucht: Kraft \(F\)
Formel: Kraft = Pfeillänge · Kraft pro Zentimeter
\( F=4{,}5\,\mathrm{cm}\cdot 20\,\mathrm{\frac{N}{cm}}=90\,\mathrm{N} \)
Antwort: Der Pfeil stellt eine Kraft von \(90\,\mathrm{N}\) dar.
Zwei Kräfte auf einer Wirkungslinie
Greifen zwei Kräfte am selben Körper entlang derselben Linie an, lassen sie sich zu einer resultierenden Kraft zusammenfassen. Zeigen beide in dieselbe Richtung, werden die Beträge addiert. Zeigen sie in entgegengesetzte Richtungen, werden sie subtrahiert; die resultierende Kraft zeigt in Richtung der größeren Kraft. Sind beide gleich groß und entgegengesetzt, ist die resultierende Kraft null: Die Kräfte sind im Gleichgewicht.
Beispiel 3: Schieben und Tauziehen
(a) Zwei Personen schieben ein liegengebliebenes Auto in dieselbe Richtung, die eine mit \(300\,\mathrm{N}\), die andere mit \(200\,\mathrm{N}\). (b) Beim Tauziehen zieht die linke Mannschaft mit \(400\,\mathrm{N}\), die rechte mit \(350\,\mathrm{N}\). Wie groß ist jeweils die resultierende Kraft?
Gegeben: (a) \(F_1=300\,\mathrm{N}\), \(F_2=200\,\mathrm{N}\), gleiche Richtung; (b) \(F_1=400\,\mathrm{N}\) nach links, \(F_2=350\,\mathrm{N}\) nach rechts
Gesucht: resultierende Kraft \(F_{\mathrm{res}}\)
\( \text{(a)}\quad F_{\mathrm{res}}=300\,\mathrm{N}+200\,\mathrm{N}=500\,\mathrm{N} \)
\( \text{(b)}\quad F_{\mathrm{res}}=400\,\mathrm{N}-350\,\mathrm{N}=50\,\mathrm{N} \)
Antwort: (a) Auf das Auto wirkt eine resultierende Kraft von \(500\,\mathrm{N}\). (b) Das Seil wird mit einer resultierenden Kraft von \(50\,\mathrm{N}\) nach links gezogen; die linke Mannschaft gewinnt.
Beispiel 4: Welche Wirkung hat die Kraft?
Für vier Alltagssituationen soll angegeben werden, welche Wirkung die Kraft hat.
| Situation | Wirkung der Kraft |
| Ein Radfahrer bremst. | Bewegungszustand: Das Rad wird langsamer. |
| Ein Kind springt auf einem Trampolin. | Verformung (elastisch) des Sprungtuchs, danach Bewegungsänderung des Kindes |
| Ein Auto fährt mit gleichbleibendem Tempo durch eine Kurve. | Bewegungszustand: Die Richtung ändert sich. |
| Ein Auto prallt gegen eine Mauer. | Verformung (plastisch) und starke Abbremsung |
Antwort: Auch eine reine Richtungsänderung bei gleichem Tempo ist eine Änderung des Bewegungszustands und braucht eine Kraft.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- „Ohne Kraft bleibt alles stehen.“ Falsch: Ein rollender Ball rollt ohne antreibende Kraft weiter. Kräfte ändern den Bewegungszustand; dass er schließlich liegen bleibt, liegt an der Reibung.
- Maßstab fehlt: Ein Kraftpfeil ohne Maßstabsangabe ist nicht auswertbar.
- Angriffspunkt falsch gesetzt: Der Pfeil beginnt dort, wo die Kraft am Körper angreift, etwa am Seil oder an der Hand.
- Gegenkräfte einfach addiert: Entgegengesetzte Kräfte werden subtrahiert, nicht addiert.
- Kraft mit Energie verwechselt: Kraftstoff, Muskelkraft im Sinne von Ausdauer oder „Kraftwerk“ beschreiben keine physikalische Kraft.
Üben: Aufgaben zu Kräften und Kraftpfeilen
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zum Zeichnen und Ablesen von Kraftpfeilen, zu resultierenden Kräften und zur Einordnung von Kraftwirkungen, mit vollständigem Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Gleichförmige Bewegung und Geschwindigkeit
Nächstes Thema: Wechselwirkung und Kräftegleichgewicht
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