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Kurzeinführung zum Thema Kraft
Kurzeinführung zum Thema Kraft
Was sind Kräfte?
In der modernen Physik hat nach Max Jammer(1957) der Begriff der Kraft eine immer geringere Bedeutung. Er wird vielerorts entbehrlich. Zu stark ist er mit dem eigenen Erleben einer willentlich aufgebrachten Anstrengung verbunden. Für unseren Zweck - Physikalisches erfahrbar zu machen - ist er aber äusserst hilfreich und durchaus präzis verwendbar.
Das erste Newton'sche Gesetz lautet (Wechselwirkungsgesetz):
Actio = Reactio
Es drückt eine grundlegende Erfahrung im Umgang mit der physischen Aussenwelt aus. Ich drücke mit Kraft gegen einen Gegenstand. Solange er stehen bleibt, reagiert dieser mit einer gleich grossen aber entgegengesetzten Kraft. Diese beiden Kräfte heben sich auf.
Formkraft
Betrachtet man die Gegenstände unter Krafteinfluss, so kann man an ihnen eine Verformung feststellen. Je stärker sie sich verformen, umso grösser ist die rückwirkende Kraft. Für jeden ist dies unmittelbar einsichtig, der an einer kräftigen Feder zu ziehen versucht.
Für unsere Bauten ist die Verformung bei Krafteinwirkung nicht immer so leicht erkennbar. Feste Gebilde aus Stein wirken meist auf den ersten Blick formkonstant. Sie ist aber nichtsdestotrotz stets vorhanden und stellt die Reactio sicher. Bei Seilen ist die Verformung oft stärker wahrnehmbar. Es entstehen dann Gebilde, bei denen sich durch Krafteinwirkung auch die Form entscheidend ändert. Diese sind dann aber mathematisch viel schwieriger beschreibbar.
Vektoren
Für die mathematische Beschreibung der Kräfte haben sich Vektoren bewährt.
Ein Vektor kennt drei Variablen: den Ansatzpunkt, die Richtung und die Grösse. Am Ansatzpunkt greift die Kraft auf den Körper, die Pfeilrichtung zeigt die Ausrichtung der Zug- respektive Druckkräfte. Die Grösse wird durch die Pfeillänge symbolisiert.
Kraftzerlegung:
Jeder Vektor lässt sich in beliebig viele andere Vektoren zerlegen, die in ihrer Summe die gleiche Wirkung entfalten wie der Ausgangsvektor. Diese Zerlegung folgt den Regeln der Trigonometrie und hat die gleiche Struktur, die man von der Addition von Geschwindigkeiten her kennt. Der rote Vektor im nebenstehenden Bild kann in den grünen und den blauen zerlegt werden. Die beiden zusammen haben die gleiche Wirkung auf den Ausgangspunkt wie die rote Kraft allein.
Eine Kraftzerlegung in zwei Vektoren, die senkrecht zueinander stehen, ist oft sinnvoll, weil oft lotrecht gebaut wird und die Kräfte voneinander unabhängig sind.
Selbstverständlich sind alle Winkelverhältnisse denkbar.
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