4. Kräfte

1. 4. Kräfte Welche Kräfte kennst Du?

2. Kräfte: • V1: • V2: Magnet in der Nähe einer Kugel

3. Die Ursache einer Bewegungsänderung wird in der Physik Kraft genannt. Kräfte: • lassen sich nur durch ihre Wirkung erkennen • können einen Körper verformen/ beschleunigen • die Bewegungsrichtung ändern. Buch S. 96

4. Welche Größen macht eine Kraft aus? • Dehnt man eine Feder, so wird sie um so länger, je mehr Gewichtsstücke man daran befestigt Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Betrag ab.

5. Zieht man einen Schlitten in einem anderen Winkel, dann verändert sich auch die Kraft: Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Richtung ab.

6. Sitzt man auf der Wippe weiter außen, so wirkt man „schwerer“: Die Wirkung einer Kraft hängt von deren Angriffspunkt ab.

7. Zusammenfassung: Die verformende Wirkung einer Kraft hängt von deren Betrag, Richtung und Angriffspunkt ab. Buch S. 97

8. Kennzeichnung von Kräften: Kräfte werden durch Pfeile dargestellt: Länge = Stärke der Kraft Richtung = Richtung der Kraft Anfangspunkt = Angriffspunkt der Kraft

10. Zwei Kräfte sind gleich, wenn sie unter gleichen Bedingungen die gleiche Wirkung bei Körpern hervorrufen. • Einheit der Kraft: [F] = 1 N (1 Newton) bzw. 1 cN = 0,01 N 1 mN = 0,001 N 1 kN = 1000 N (Sir Isaac Newton: 1643 – 1727 siehe B.S. 98) Dann: AB Kräfte und Ihre Wirkungen

11. Buch S. 107

12. Beispiele: • Ball werfen vom Skateboard aus • Rakete • Seilziehen • Esel mit Möhre Eine Kraft (actio) kann also nach Newton III nie alleine auftreten, sie hat immer eine Gegenkraft (reactio), die an einem anderen Körper angreift.

13. Kraft und Verformung Wir legen nacheinander immer schwerere Gewichtsstücke auf die Schale. Dadurch wird eine immer größer werdende Kraft F auf das Gummiband ausgeübt. so dass es immer stärker gedehnt wird.

14. Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der Zugkraft F und der Verlängerung des Gummibandes s: Zeichne die Werte in ein F-s- Diagramm ein!

15. Das daraus resultierende Diagramm kann so aussehen:

16. Bei Federn sieht das Diagramm schon genauer aus:

17. Hier gilt: F proportional zu Δs • F/Δs = konstant = D D := Federhärte • Die Einheit von D = 1 N/cm • Ist die Gerade im Diagramm flacher, so ist die Feder weicher • Gesetz von Hooke: • Bei bestimmen Gegenständen (Feder,Gummi) ist der Quotient aus Kraft F und Längenänderung konstant: • D = F/Δs = konstant

18. Das Trägheitsgesetz

19. Noch mehr Versuche...

20. Das Trägheitsgesetz: Trägheit ist die Eigenschaft eines Körpers, einer Bewegungsänderung einen Widerstand entgegenzusetzen. Ist die Summe der auf einen Körper wirkenden Kräfte null, so bleibt der Körper in Ruhe oder in gleichförmiger, geradliniger Bewegung Buch S. 101/102

21. Aufgabe: Nashorn Nashörner sind bekanntermaßen mit einem erstaunlich guten Geruchssinn ausgestattet, ihre Augen hingegen lassen ziemlich zu wünschen übrig – Nashörner sind extrem kurzsichtig. Trotz ihrer enormen Masse von bis zu 2 t sind sie zu Fuß überaus gut unterwegs – sie können bis zu 50 km/h schnell laufen! Wenn der Wind ungünstig steht und von einer Person aus Richtung Nashorn weht, kann es passieren, dass es die Witterung aufnimmt und auf die bedauernswerte Person zu rennt – nach dem Motto „Angriff ist die beste Verteidigung“. Wenn man allerdings ein wenig über Nashörner und Physik Bescheid weiß und zudem noch über eiserne Nerven verfügt, hat man beste Chancen, dem aufgebrachten Tier zu entkommen. Wie muss man sich verhalten?

22. Kraft, Masse und Beschleunigung Was ist eigentlich „Masse“? Wir kaufen auf dem Markt 2kg Tomaten: • Legt man sie auf eine Balkenwaage, so sind sie mit 2kg Äpfeln im Gleichgewicht. • Trägt man sie bis in den 2. Stock eines Hauses, so wirken Äpfel und Tomaten gleich „schwer“. • Ein großer Kürbis von 4kg würde nur gegen Äpfel und Tomaten zusammen auf der Waage im Gleichgewicht sein.

23. Die Einheit der Masse ist das „Kilogramm“ – weitere Einheiten sind: • Massengleichheit
Zwei Körper haben die gleiche Masse, wenn sie durch die gleiche Kraft die gleiche Beschleunigung erfahren. • Massenvielfachheit
Ein Körper A hat die doppelt so große Masse wie ein Körper B, wenn er durch die gleiche Kraft nur halb so stark beschleunigt wird wie der Körper B.
 Buch S. 99

24. Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung • Je größer bei bestimmter Masse m die wirkende Kraft F ist, desto größer ist die Beschleunigung a • Je größer bei bestimmter Kraft F die Masse m ist, desto kleiner ist die Beschleunigung a Allgemein gilt:

25. Anwendungsaufgabe: je-desto-Physik Gegeben ist ein schwerer Körper A und ein leichter Körper B. Außerdem eine Kraft F1 , deren Betrag größer ist als der von F2. Welche der folgenden Aussagen sind richtig? • F1 beschleunigt Körper A stärker als F2 • F2 beschleunigt den Körper B stärker als F1 den Körper A • F2 bremst Körper A stärker als Körper B • F1 beschleunigt Körper B stärker als Körper A • F2 bremst Körper B schwächer als F1

26. Eine spezielle Kraft – die Gewichtskraft

27. V: Lässt man eine Tafel Schokolade ( m = 100g ) los, so fällt sie auf den Boden. E: Die Gewichtskraft der Erde beschleunigt die Tafel nach unten.  Wir wissen bereits: Fallbeschleunigung auf der Erde aErde = g = 9,81 m/s² = 10 m/s²

28.  Damit können wir die Gewichtskraft berechnen, die eine Tafel Schokolade erfährt: FG (= G) = m  g = 0,1 kg  10m/s² = 1 kg  m/s² = 1 N  Allgemein gilt: Gewichtskraft G = m  g g: Fallbeschleunigung des jeweiligen Ortes

29. Bsp: Auf der Erde gilt: m = 100g = 0,1 kg  G = 1 N m = 1 kg  G = 10 N m = 2 kg  G = 20 N m = 1000 kg = 1 t  G = 10 000 N MERKE: Die Fallbeschleunigung g hängt vom Ort ab! Somit hängt auch die Gewichtskraft einer Masse vom jeweiligen Ort ab!

30. Bsp: 1 Tafel Schokolade auf der Erde: m = 100 g, also beträgt G = 1 N. Tafelschokolade auf dem Mond: m = 100g, also beträgt G = m gMond= 0,1 kg  1,6m/s² = 0,16 N (= 1/6 des Gewichtes auf der Erde!)

31. Kräftezerlegung Eine Kraft kann man in einzelne Komponenten zerlegen oder aus mehreren Kräften eine resultierende Kraft „berechnen“:

32. Bei gleichem Angriffspunkt Wirken zwei Kräfte F1 und F2 und mit verschiedener Wirkungslinie auf einen Körper, so findet man die resultierende Kraft F wie in den Zeichnungen dargestellt entweder durch das Kräfteparallelogramm oder durch das Kraftdreieck.

33. Zerlegung einer Kraft in Komponenten Beispiel: Schiefe Ebene Gegeben ist ein Körper der Gewichtskraft Fg auf einer schiefen Ebene. Gesucht sind die Komponenten der Gewichtskraft parallel (Hangabtriebskraft) und senkrecht (Normalkraft) zur schiefen Ebene. Zerlegung Digital Buch S. 108 ff.

34. Aufgabe: Wirtshausschild Eine Krone (G = 0,20 kN) hängt als Wirtshausschild an der skizzierten Stabverbindung. a) Welche Kräfte wirken im Punkt A auf die Stäbe? b) In welche Kräfte senkrecht (s ) und parallel (p ) zur Wand kann man die Kraft des Stabes in B zerlegen? c) Welche Kraft wirkt in C durch den Stab?  

35. a) Bedingt durch die Gewichtskraft der Krone wirkt im Stab [AC] eine Druckkraft Fd und im Stab [AB] eine Zugkraft Fz. b) Die Kraft Fz kann längs ihrer Wirkungslinie nach B verschoben werden. Durch Zerlegung Fz von in Fp und Fs erhält man die Kräfte auf die Wand.  c) In C drückt der Stab [AC] lotrecht mit der Kraft Fd auf die Wand. Leifi-Abschlusstest

36. Reibungskraft • Reibung tritt im täglichen Leben fast überall auf. • Manchmal ist sie erwünscht, manchmal will man sie vermeiden.

37. Beim Schieben der Kiste mit konstanter Geschwindigkeit tritt eine besondere Form der Reibung, die Gleitreibung auf. Bevor der Mann die Kiste jedoch in Bewegung gesetzt hat, musste er sich noch etwas mehr anstrengen, es trat eine andere Form der Reibung auf, die Haftreibung. Müsste die Kiste über längere Strecken geschoben werden, so würde es sich lohnen Rollen unter die Kiste zu legen, denn dann ist der Kraftaufwand deutlich geringer. Die hierbei auftretende Reibung wird als Rollreibung bezeichnet. • Arbeitsblatt + Buch S. 121 ff.

38. Verschiedene Kräfte in der Natur V 1: Magnet mit Eisenfeilspäne Ergebnis: Magnete üben auf Magnete oder ferromagnetische Stoffe anziehende bzw. abstoßende Kraft (magnetische Kraft) aus.

39. V 2: Kunststoffstab reiben und in Papierschnipsel halten Ergebnis: Elektrisch geladene Körper üben aufeinander gegenseitig eine Kraft aus, die elektrische Kraft oder Coulomb-Kraft. Je nach Vorzeichen der Ladung ist die elektrische Kraft abstoßend oder anziehend.

40. V 3: Elektromagnet  Ergebnis: Auch elektrischer Strom hat magnetische Wirkung. Diese wird durch bewegte Ladungen hervorgerufen. Man spricht hier von Elektromagnetismus. V 4: Leiterschaukel Ergebnis: In Umkehrung zu V3 kann auch ein Magnet Kraft auf bewegte elektrische Ladung ausüben. Diese Kraft heißt Lorentzkraft. Weitere Kräfte: Lies Buch S. 115