Kräfte im Gleichgewicht

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Geläufige Kräfte ✔ | Bewegung ohne Krafteinwirkung ✔ | Kräfte im Gleichgewicht ✔ | Endgeschwindigkeit ✔

Kräfte im Gleichgewicht

Eine Kraft ist ein Druck oder ein Zug, ausgeübt von einem Objekt auf ein anderes. Eine Kraft hat eine Richtung sowie eine Größe, also ist eine Kraft ein Vektor. Die SI-Einheit der Kraft ist das Newton (N). Kleine Kräfte können mit einer Federwaage gemessen werden (siehe unten). Je größer die Kraft ist, desto mehr wird die Feder gespannt:


Feederwaage
Aufbau einer Federwaage

Geläufige Kräfte

Hier sind einige Beispiele von Kräften:


Bewegung ohne Krafteinwirkung

Isaac Newton
Isaac Newton, porträtiert von Godfrey Kneller im Jahre 1702

Auf der Erde kommen Fahrzeuge ohne Antrieb wegen der Reibung bald zum Stillstand. Aber ohne Reibung, Schwerkraft oder andere äußere Kräfte wird ein sich bewegendes Objekt immer in Bewegung bleiben - mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in einer geraden Linie. Es braucht keine Kraft, um es in Bewegung zu halten. Diese Vorstellung ist in einem Gesetz zusammengefasst, das zuerst von Sir Isaac Newton im Jahre 1687 vorgetragen wurde:

Wenn keine äußere Kraft wirkt, wird ein Objekt

  • wenn stationär, stationär bleiben
  • wenn es sich bewegt, bleibt es in Bewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer geraden Linie .

Diese Erkenntnis ist bekannt als erstes newtonsches Gesetz der Bewegung.


Tief im Weltraum wird ein bewegtes Objekt seine Geschwindigkeit beibehalten, solange keine Kräfte wirken, um es zu verlangsamen.

Kräfte im Gleichgewicht

Auf ein Objekt können mehrere Kräfte wirken. Aber wenn die Kräfte im Gleichgewicht sind, heben sie sich gegenseitig auf. Dann verhält sich das Objekt so, als ob es überhaupt keine Kraft gibt. Hier sind einige Beispiele:


Stillstehende Turnerin
Eisläuferin mit konstanter Geschwindigkeit

Fallschirmspringer mit konstanter Geschwindigkeit

Bei ausgeglichenen Kräften ist ein Objekt entweder in Ruhe oder es bewegt sich mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in einer geraden Linie. Das folgt aus dem ersten newtonschen Gesetz.


Endgeschwindigkeit

Wenn ein Fallschirmspringer aus einem schwebenden Hubschrauber springt erhöht sich nicht nur seine Geschwindigkeit, sondern auch der Luftwiderstand, der auf seinen Körper wirkt. Irgendwann ist der so groß, dass die Geschwindigkeit nicht mehr zunimmt. Der Fallschirmspringer hat seine Endgeschwindigkeit erreicht. In der Regel beträgt diese etwa 60 $\mathsf {\tfrac {m}{s}}$, obwohl der tatsächliche Wert von den Wetterbedingungen, sowie der Größe, der Körperform und dem Gewicht des Fallschirmspringers abhängt.


Wenn ein Fallschirmspringer mit einer konstanten Geschwindigkeit fällt, sind die Kräfte, die auf ihn wirken ausgeglichen: das Gewicht nach unten entspricht genau dem Luftwiderstand nach oben.

Wenn der Fallschirmspringer seinen Fallschirm öffnet, erhöht die zusätzliche Materialfläche den Luftwiderstand. Er verliert schnell an Geschwindigkeit, bis die Kräfte bei einer stark reduzierten Endgeschwindigkeit wieder im Gleichgewicht sind.

F: Wenn der Luftwiderstand das Gewicht ausgleicht, warum bleibt ein Fallschirmspringer nicht in der Luft stehen?

A: Wenn er sich nicht bewegt hätte, würde es keinen Luftwiderstand geben. Und wenn nur sein Gewicht eine Rolle spielen würde, dann würde er an Geschwindigkeit zulegen.

F: Wenn der Fallschirmspringer nach unten fällt, muss da nicht sein Gewicht größer sein als der Luftwiderstand?

A: Nur wenn er an Geschwindigkeit zulegt. Bei einer konstanten Geschwindigkeit müssen die Kräfte im Gleichgewicht sein. Das folgt aus Newtons erstem Gesetz.

Fragen

Antworten können aufgeklappt werden

Richtig ist: Newton (N)
Richtig ist:
  1. es wird sich weiterhin nicht bewegen
  2. es wird sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit weiterbewegen

3. Der Fallschirmspringer rechts schwebt mit einer konstanten Geschwindigkeit zu Boden

  1. Welche Kraft ist dafür verantwortlich?
  2. Welche Kraft wirkt noch auf den Fallschirmspringer?
  3. Wie groß ist diese Kraft im Vergleich zum Gewicht des Fallschirmspringers?
  4. Wenn der Fallschirmspringer einen größeren Fallschirm hätte, wie würde sich das auf die konstante Abwärtsbewegung auswirken? Erkläre warum.
Richtig ist:
  1. sein Gewicht
  2. der Luftwiderstand
  3. beide Kräfte sind im Gleichgewicht
  4. sie würde sich verringern, weil sich durch den größeren Fallschirm der Luftwiderstand erhöhen würde.

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