Kraft


Kraft
Physikalische Größe
Name Kraft
Formelzeichen der Größe F
Größen- und
Einheiten-
system
Einheit Dimension
SI \mathrm{\, N = \, \frac{kg\, m}{s^2}} MLT−2
Siehe auch: Schub; mechanischer Widerstand

Kraft ist eine gerichtete physikalische Größe, die eine wichtige Rolle in der klassischen Mechanik spielt. Sie kann Körper beschleunigen oder verformen, durch Kraftwirkung kann man Arbeit verrichten und die Energie eines Körpers verändern. Einige Kräfte haben eigenständige Bezeichnungen aufgrund ihrer Ursachen oder Wirkungen erhalten. Dazu gehören die Reibungskraft, die Gewichtskraft und die Fliehkraft. Die heutige Physik unterscheidet vier Grundkräfte, die allen diesen Ausformungen von Kraft zugrunde liegen. In diesem Zusammenhang wird der Begriff Wechselwirkung gleichbedeutend mit Kraft verwendet. Die international verwendete Einheit für Kraft ist das Newton. Das Formelzeichen der Kraft ist meist F (von engl. force bzw. lat. fortitudo[1]).

Isaac Newton interpretierte im 17. Jahrhundert in den newtonschen Gesetzen die Kraft als zeitliche Änderung des Impulses. Er identifizierte also die Kraft als Ursache für jede Veränderung des Bewegungszustandes eines Körpers. Außerdem erkannte er, dass es zu jeder Kraft eine Reaktionskraft gibt.

In der modernen Physik hat der Begriff der Kraft Erweiterungen erfahren. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation durch die Krümmung der Raumzeit beschrieben. Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die drei anderen Grundkräfte durch Eichbosonen vermittelt, die häufig als „Kraftteilchen“ aufgefasst werden.

Inhaltsverzeichnis

Wort- und Begriffsgeschichte

Aristoteles
Galileo Galilei

Das Wort Kraft ist altgermanischen Ursprungs,[2] ursprünglich verbindet sich damit die Vorstellung einer Muskelanspannung.[3] Im Deutschen bezeichnet Kraft eine körperliche oder geistige Voraussetzung zu bestimmten Handlungen (Muskel- beziehungsweise Geisteskraft), in der zweiten Bedeutung – der Ausführung der Tätigkeit selbst (»eine Kraft ausüben«; »unter der Kraft zusammenbrechen«) – kommt die Alltagsvorstellung von Kraft dem physikalischen Fachbegriff nahe.

In der Rechtssprache bedeutet Kraft schon im althochdeutschen[3]Gültigkeit“ bzw. „Wirksamkeit“, was sich heute nur noch in bestimmten Formeln ausdrückt: »in/außer Kraft bleiben/treten/setzen« (vgl. rechtskräftig). Aus »in/durch Kraft« entstand die Präposition »kraft«, die den Genitiv mit sich führt. Rechtssprachlich steht sie etwa in der Präambel zum Grundgesetz »…hat das deutsche Volk kraft seiner verfassungsgebenden Gewalt…« oder im Ausdruck »kraft seines Amtes«.

Seit etwa dem Ende des 18. Jahrhunderts wird Kraft auch auf Menschen als »Träger der Kraft« bezogen (»Streitkräfte«, »Lehrkräfte« etc.), im 20. Jahrhundert auch für maschinell erzeugte Energie (»Kraftwerk«, »Kraftfahrzeug«).[3]

Im Englischen hat craft eine eingeengte Bedeutungsentwicklung genommen (Handwerk, Fertigkeit).[2]

Das griechische Wort für Kraft, δύναμις, lag der CGS-Einheit dyn zugrunde und lebt fort in Dynamik, was die Lehre von der Bewegung unter dem Einfluss von Kräften bezeichnet. In der physikalischen Fachsprache ist Kraft (beziehungsweise force) spätestens im 17. Jahrhundert mit dem lateinischen vis gleichgesetzt worden.[4]

Die lange Zeit unscharfe und nach heutigem Verständnis zum Teil falsche Verwendung des Kraftbegriffs in der Physik geht größtenteils auf die Sichtweise von Aristoteles zurück, dessen Vorstellungen zur Bewegung bis weit in die Renaissance hinein nachgewirkt haben.[5] Demnach liegt jeder Bewegung eine wirkende Ursache, im heutigen Sprachgebrauch eine Kraft, zugrunde. Jede dadurch ausgelöste Bewegung endet automatisch, wenn die Kraft nicht mehr wirkt. Diese Kraft kann nur durch unmittelbaren Kontakt wirken, sie wird zudem mit der Geschwindigkeit des Körpers in eine Beziehung gebracht, die von späteren Aristoteles-Kommentatoren als eine Proportionalität gedeutet wurde.[6]

Im Mittelalter entstand aus der aristotelischen Lehre die Impetustheorie, welche eine Gruppe von Bewegungslehren zusammenfasst. Ihren gemeinsamen Kern bildet die Idee einer »eingeprägten Kraft«, dem Impetus, der einem Körper von einem »ersten Beweger« mitgegeben wurde. Dieser im Körper befindliche Impetus erschlafft mit der Zeit, das wird durch den Widerstand des Mediums, zum Beispiel Luft, verstärkt. Auch hier endet jede Bewegung automatisch, wenn der Körper »keine Kraft mehr hat«. Im Gegensatz zu Aristoteles war kein externer Beweger nötig. Die drängende Frage, auf welche Weise ein in die Luft geworfener Gegenstand in Bewegung gehalten wird, war damit scheinbar gelöst. Beibehalten wurde aber beispielsweise die Proportionalität von eingeprägter Kraft und Geschwindigkeit.

Auch Galilei war in der aristotelischen Denkweise verwurzelt, kam aber dem Trägheitsgesetz schon sehr nahe.[7] In diesem Gesetz drehten sich die Verhältnisse um, eine Kraft wurde nicht mehr zur Aufrechterhaltung einer Bewegung benötigt, nunmehr war zur Veränderung eines Bewegungszustandes eine Kraft nötig. Erst Newton beschrieb den Begriff Kraft in seinen 1687 veröffentlichten Bewegungsgesetzen in der Art, wie er heute noch verwendet wird. Bis weit ins 19. Jahrhundert benutzten Physiker das Wort Kraft jedoch auch in Bedeutungen, die nicht durch die newtonschen Gesetze gedeckt waren, insbesondere auch in der Bedeutung von Energie. Bis sich der moderne Energiebegriff herausgebildet hatte, wurde beispielsweise die kinetische Energie mit dem von Leibniz geprägten und im neunzehnten Jahrhundert noch von Helmholtz verwendeten Ausdruck der »lebendigen Kraft« (vis viva) bezeichnet.

Messung von Kräften

Hauptartikel: Kraftmessung
Kraftmessung mit dem hookeschen Gesetz, hier in der Form F_p = D \cdot x

Eine Kraft kann über eine Weg-Zeit Messung bestimmt werden, wenn sie eine Beschleunigung verursacht. Nach dem zweiten newtonschen Gesetz gilt für Körper mit gleich bleibender Masse m und konstanter Beschleunigung a der Zusammenhang  \vec F = m \vec a . Dieser Zusammenhang kann auch aus der abgeleiteten Einheit Newton \mathrm{\, N =  kg\, \cdot \tfrac{m}{s^2}}, abgelesen werden. In der Praxis wird oft aus einem bekannten (vorteilhafterweise linearen) Zusammenhang zwischen der wirkenden Kraft und einer leicht zu messenden Größe auf die Kraft geschlossen. Beispiele hierfür sind die Verformung eines elastischen Materials oder des elektrischen Widerstands eines Dehnungsmessstreifens.

Eine Kraft kann auf verschiedene Art durch die von ihr verursachte Verformung bestimmt werden. Im Schulunterricht und in einigen einfachen Anwendungen werden Kräfte mit sogenannten Federkraftmessern über die Längenänderung von Schraubenfedern gemessen. Dabei wird das hookesche Gesetz genutzt, demzufolge die Ausdehnung geeigneter Federn zur ausgeübten Kraft proportional ist; es gilt F = D \cdot \Delta l, wobei Δl die Längenveränderung der Feder und D die Federkonstante bezeichnet.[8]

Nutzbar ist auch das Hebelgesetz, damit kann eine unbekannte Kraft durch den Vergleich mit einer bekannten Kraft, zum Beispiel der Gewichtskraft eines Massestücks bestimmt werden. Im einfachsten Fall wird eine Waage genutzt, deren Anzeige mit Hilfe der bekannten Schwerebeschleunigung g in die wirkende Kraft umgerechnet werden kann.

Mit dem Rasterkraftmikroskop oder auch dem Wellenleitermikroskop sind noch Kräfte bis zum Bereich von etwa 1 pN, also 0,000000000001 N, auf eine mikroskopisch kleine Blattfeder (Cantilever) für bildgebende Verfahren von Oberflächen und der Messung atomarer Kräfte auswertbar.[9][10]

Kraft als vektorielle Größe

Darstellung von Kräften

Für die Beschreibung einer Kraft ist – neben ihrem Angriffspunkt – nicht nur ihr Betrag (also ihre „Stärke“), sondern auch die Angabe der Richtung notwendig, in der die Kraft wirkt. Solche Größen, festgelegt durch die Angabe von Zahlenwert, Einheit und Richtung, nennt man vektorielle Größen, sie sind darstellbar durch Pfeile in einem Koordinatensystem. In einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem hat ein Kraftvektor drei Komponenten:

 \vec F = \begin{pmatrix}F_x \\ F_y \\ F_z\end{pmatrix}
  • Um beispielsweise die Gewichtskraft  \vec F_\mathrm G zu beschreiben, mit der ein Körper der Masse m von der Erde angezogen wird, kann ein Koordinatensystem mit vertikaler z-Achse gewählt werden:
 \vec F_G = \begin{pmatrix}\ 0\ \\ \ 0\  \\ -m   g\end{pmatrix}
Der Körper wird (mit der Erdbeschleunigung g) nach unten beschleunigt, deshalb ist die z-Komponente negativ.
Kräfte an einem Kragträger, weitere Informationen zur Darstellung siehe Balkentheorie

Die Verformung eines Körpers kommt genau genommen nicht durch eine einzelne Kraft zustande, sondern dadurch, dass an verschiedenen Angriffspunkten unterschiedliche Kräfte wirken. Die dadurch entstehenden mechanischen Spannungen können beschrieben werden, indem Kraft als ein vektorielles Feld aufgefasst wird: In jedem Angriffspunkt, bezeichnet durch den Ortsvektor  \vec r, kann prinzipiell eine andere Kraft  \vec F( \vec r) wirken. Je nachdem, wie diese Kräfte gerichtet sind, wird der Körper gedehnt, komprimiert oder verzerrt.

Superpositionsprinzip

Das Superpositionsprinzip der Mechanik, welches in Newtons Werk auch als „lex quarta“ bezeichnet wird, besagt: Wirken auf einen Punkt (oder einen starren Körper) mehrere Kräfte \vec{F_1},\vec{F_2}, \ldots, \vec{F_n}, so addieren sich diese vektoriell zu einer resultierenden Kraft \vec{F_{res}} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \ldots + \vec{F_n}. Das heißt, \vec{F_{res}} bewirkt dasselbe wie sämtliche Kräfte \vec{F_1},\vec{F_2}, \ldots, \vec{F_n} gemeinsam.

Zerlegung der Gewichtskraft  \vec{G} in die Komponenten  \vec{F_1} (Hangabtriebskraft) und  \vec{F_2} (Gegenkraft zur Normalkraft  \vec{N})
  • Wenn zwei am selben Angriffspunkt angreifende Kräfte \vec{F_1} und \vec{F_2} gleich große, aber entgegengesetzt gerichtet sind, so ist die resultierende Kraft gleich Null, man spricht dann auch von einem Kräftegleichgewicht (die Kräfte »kompensieren sich« bzw. »sie gleichen sich aus«).
  • Zusammensetzung von Kräften (die im selben Punkt angreifen):
    Wirken zwei Kräfte mit den Beträgen F1 und F2 in die gleiche Richtung, so addieren sich die Beträge zum Betrag F der Gesamtkraft, F = F1 + F2.
    Wirken zwei Kräfte mit den Beträgen F1 und F2 in entgegengesetzter Richtung, so resultiert der Betrag F der Gesamtkraft dadurch, dass sich der größere Kraftbetrag um den kleineren verringert. Die Richtung der Gesamtkraft stimmt mit der Richtung derjenigen Einzelkraft überein, die den größeren Betrag hat, F = | F1F2 | .
    Wirken zwei Kräfte in unterschiedlicher Richtung, so ergeben sich Richtung und Betrag der Resultierenden zeichnerisch durch ein Kräfteparallelogramm. Die Kräfte  \vec{F_1} und  \vec{F_2} werden zu einem Parallelogramm ergänzt, die Parallelogramm–Diagonale entspricht der resultierenden Kraft. Die resultierende Kraft mehrerer Kräfte unterschiedlicher Richtung kann zeichnerisch (Krafteck) oder rechnerisch (mit Hilfe der Vektorrechnung) bestimmt werden.
  • Zerlegung von Kräften:
    Während sich bei einer horizontalen Ebene die Gewichtskraft \vec{G} und die Normalkraft \vec{N} kompensieren, kann das im Fall der schiefen Ebene nicht geschehen. Die Normalkraft wirkt senkrecht zur Ebene nach oben und ist damit der Gewichtskraft nicht genau entgegen gerichtet. Um angeben zu können, welcher Teil der Gewichtskraft nicht von der Normalkraft kompensiert wird und somit als Hangabtriebskraft den Körper die schiefe Ebene hinab beschleunigt, kann die Gewichtskraft in zwei Kräfte zerlegt werden. Die eine zeigt zweckmäßigerweise in die Gegenrichtung der Normalkraft (und wird von dieser kompensiert,  \vec{F_2} = - \vec{N}), die zweite in Richtung der Ebene – diese stellt die Hangabtriebskraft  \vec{F_1} dar. Über  \vec{F_1} = m \cdot \vec{a} kann die Beschleunigung \vec{a} des Körpers berechnet werden.
    Eine solche Zerlegung ist immer dann korrekt, wenn die Vektorsumme der Teil-Kräfte die ursprüngliche Kraft ergibt, hier muss also  \vec{F_1} + \vec{F_2} = \vec{G} gelten.

Kraft in der klassischen Mechanik

Kraft in den newtonschen Gesetzen

Hauptartikel: Newtonsche Gesetze

Der newtonsche Kraftbegriff basiert auf folgendem Gedanken: Alle Einwirkungen auf einen Körper, die zu einer Änderung seines Bewegungszustands führen, sind Kräfte und müssen auch so bezeichnet werden. So wird die »Hemmung« durch ein Medium als Reibungskraft identifiziert, Kraft beschreibt nun die Intensität und Richtung der Wechselwirkung zweier Körper, keine Eigenschaft eines Körpers. Bei einer kräftefreien Bewegung bzw. wenn ein Kräftegleichgewicht vorliegt ändert sich der Bewegungszustand eines Körpers folglich nicht, er bewegt sich somit geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiter oder er bleibt in Ruhe. Das ist der Inhalt des Trägheitsprinzips, wie es schon Galilei formulierte.

Das Aktionsprinzip verknüpft die Kraft  \vec{F}, die auf einen freien Körper ausgeübt wird, mit der Änderung von dessen Impuls  \vec{p}: In jedem infinitesimal kurzen Zeitraum dt ändert sich der Impuls des Körpers um \mathrm{d} \vec{p} gemäß \mathrm{d} \vec{p}= \vec{F}\mathrm{d}t.. Der Impuls eines Körpers ist das Produkt seiner Masse m und der Geschwindigkeit  \vec{v}; es gilt:  \vec{p}=m \vec{v}. Da die Masse des Körpers in den meisten Fällen praktisch konstant bleibt (Ausnahmen sind beispielsweise Raketen oder Körper bei relativistischen Geschwindigkeiten), schreibt man das zweite newtonsche Axiom meistens in der Form  \vec{F} = m \tfrac{\mathrm{d} \vec{v}}{\mathrm{d}t} = m  \vec{a}, wobei  \vec{a} für die auf den Körper wirkende Beschleunigung steht.

Als Konsequenz der Impulserhaltung folgt zudem das Reaktionsprinzip, wonach stets mit einer Kraft („actio“) vom Körper A auf Körper B, also \vec {F}_{A \to B}, eine gleich große, aber genau entgegengesetzt gerichtete Kraft („reactio“) von Körper B auf Körper A verbunden ist: \vec {F}_{A \to B} = -\vec {F}_{B \to A}. Die reactio ist dabei nicht nur eine Art passiver Widerstand, sondern eine Kraft, die aktiv am Wechselwirkungspartner angreift. Sie ist vom Kräftegleichgewicht zu unterscheiden, denn der Angriffspunkt von \vec {F}_{A \to B} und \vec {F}_{B \to A} ist verschieden, beide Kräfte können sich also nicht kompensieren.

In moderner Schreibweise würde die der newtonschen Intention entsprechende Fassung eher  \Delta \vec p \sim \vec F \cdot \Delta t lauten. Die Verwendung des Wortes Kraft in Newtons Schriften ist nicht immer eindeutig. Kraft ist meist eher als Kraftstoß  \vec F \cdot \Delta t zu deuten, der einen Zusatzimpuls  \Delta \vec p bewirkt.[11]

Kräftegleichgewicht als Schlüsselbegriff der Statik

Wenn sich bei einem fallenden Körper in einem Medium die Gewichtskraft \vec F_{g} und die Reibungskraft \vec F_{d} kompensieren, ändert sich die Geschwindigkeit nicht mehr

Die Betrachtung des Kräftegleichgewichts ist Inhalt der Statik. Um hier oder allgemeiner in der technischen Mechanik Systeme (z. B. Tragwerke) einer Berechnung zugänglich zu machen, werden Bindungen zwischen den Körpern des Systems und zwischen dem System und seiner Umwelt, die nur geringe Formänderungen zulassen, als »starre Bindungen« idealisiert. Solche starren Bindungen sind in der Regel Gelenke zwischen den Körpern oder Lager. Damit geht der physikalische Charakter dieser Bindungen verloren, und die durch diese Bindungen bedingte mechanische Wechselwirkung der Körper wird durch den neuen Begriff der Zwangskräfte repräsentiert. Zwangskräfte verrichten am System keine Arbeit, da keine resultierende Bewegung stattfindet. Im Gegensatz dazu stehen die »eingeprägten Kräfte«, die ihre Ursache in physikalischen Gesetzen haben. Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte erfüllen zusammen die Gleichgewichtsbedingungen.

Das Prinzip der virtuellen Arbeit besagt, dass in der Statik die Summe aller Kräfte (Zwangskräften und äußere Kräfte) Null ergeben muss. Das d’Alembertsche Prinzip erweitert dieses Prinzip auf Systeme der klassischen Dynamik, die Zwangskräften unterworfen sind und ermöglicht häufig das Aufstellen von Bewegungsgleichungen.

Kräfte mit nichtmechanischer Ursache

Einige zur Zeit Newtons noch als verschieden angesehene Kräfte entpuppten sich als Ausdrucksformen von elektromagnetischen Kräften im Inneren von Materie. Diese Kräfte machen sich bemerkbar:

Kraft und Determinismus

Hauptartikel: Determinismus
Berechenbarkeit beim freien Fall: Aufgenommen sind 20 Bilder pro Sekunde. Während der ersten 1/20 Sekunde durchfällt der Ball »eine Längeneinheit« (in diesem Beispiel etwa 12 mm); innerhalb von 2/20 Sekunden vier Längeneinheiten; innerhalb von 3/20 Sekunden dann neun Längeneinheiten und so weiter.

Mit den Newtonschen Gesetzen ist es möglich, aus einer gegebenen Ausgangssituation und den wirkenden Kräften die zeitliche Entwicklung eines physikalischen Systems vorher zu sagen. Dies trifft nicht nur für einzelne Versuche im Labor zu, sondern im Prinzip auch auf das Universum als Ganzes. Diese Folgerung trug im 18. Jahrhundert zur Verbreitung eines deterministischen Weltbildes bei. Demnach wären alle Ereignisse grundsätzlich vorbestimmt, wenn auch die für eine Vorhersage erforderlichen Rechnungen in der Regel nicht praktisch durchführbar sind. Anfang des 20. Jahrhunderts stellte sich jedoch heraus, dass die Formeln der klassischen Physik auf der Ebene der Atome nicht anwendbar sind. Das aus den Formeln gefolgerte deterministische Weltbild musste daher in der ursprünglichen Form verworfen werden.[12]

Zusammenhang von Kraft und Arbeit

Hauptartikel: Arbeit

Durch das Wirken einer Kraft kann sich die Energie eines Körpers verändern (z. B. erhöht das Anheben eines Körpers im Schwerefeld der Erde dessen potentielle Energie). Die durch eine Kraft längs eines Weges auf einen Körper übertragene Energie nennt man Arbeit W.

Kraftrichtung im Winkel α schräg zum Weg

Im einfachsten Fall wird die aufzuwendende Arbeit mit der Beziehung W= F \cdot s bestimmt. Dabei muss die Kraft konstant sein und stets in Richtung des zurückgelegten Weges wirken. Falls die Kraft auf der Strecke vom Punkt S1 zum Punkt S2 im Winkel α schräg zum Weg wirkt, ist die Arbeit W=\vec F \cdot \vec s = |\vec  F| \, |\vec  s|  \, \cos\alpha\,. In dieser Gleichung ist \vec s der Vektor von S1 nach S2. Im allgemeineren Fall ist die Arbeit das Weg- oder Kurvenintegral W=\int_{\vec s_1}^{\vec s_2} \vec F(\vec s)\,\mathrm d \vec s\,.

Aufgrund des Energieerhaltungssatzes (vereinfacht in der »Goldenen Regel der Mechanik« enthalten), sind Kraftwandler (z. B. Flaschenzug, Hebel oder Gangschaltung), bei denen die Stärke einer aufzuwendenden oder nutzbaren Kraft verändert werden soll, nur in der Weise konstruierbar, dass eine Verminderung des aufzuwendenden Kraftbetrags durch eine umgekehrt proportionale Vergrößerung des Weges erkauft werden muss. Wird beispielsweise durch Verwendung eines Kraftwandlers nur ein Viertel des normalerweise erforderlichen Kraftbetrags benötigt, so ist dies (im Idealfall) mit einer Vervierfachung des Weges verbunden.

In einem konservativen Kraftfeld ist die Arbeit vom Weg unabhängig, sie hängt also nur vom Anfangs- und Endpunkt ab. Daher ist die Arbeit entlang eines geschlossenen Weges hier gleich Null. Bei nichtkonservativen Feldern, speziell wenn Reibungskräfte wirken, ist diese Wegunabhängigkeit nicht mehr gegeben. Reibung bewirkt Dissipation, mechanische Energie wird in Wärme umgewandelt und Entropie erzeugt.

Zusammenhang von Kraft und Potential

Hauptartikel: Potential (Physik)

Das Potential dient zur Beschreibung der Fähigkeit eines konservativen Feldes, einen Körper Arbeit verrichten zu lassen. Dazu wird das im Allgemeinen dreidimensionale Kraft-Vektorfeld mit Hilfe eines Skalarfeldes dargestellt, ohne dass dabei Informationen über das Feld verloren gehen. Ergebnis ist die Vereinfachung vieler Rechnungen, denn als skalares Feld hat das Potential an jedem Ort nur eine Komponente im Vergleich zu den drei Komponenten des Kraftfeldes. Allerdings kann nicht mehr eindeutig auf den Körper geschlossen werden, der das Feld verursacht.

Aus dem Skalarfeld V ist die am jeweiligen Ort wirkende Kraft durch \vec F(\vec r)= -{\operatorname grad} \,V(\vec r) = -\nabla V(\vec r) berechenbar. Der Ausdruck \nabla V bezeichnet den Gradienten des Feldes V. Der Gradient eines Skalarfeldes macht auch eine Aussage über die Änderungsrate des Skalarfeldes in Richtung seines steilsten Anstiegs.

Im allgemeineren Sinne werden alle skalare Felder, aus denen sich ein Vektorfeld gemäß oben stehender Gleichung ableiten lässt, als Potential bezeichnet. Ist das Vektorfeld ein konservatives Kraftfeld (beispielsweise bei der Gravitation), so entspricht das skalare Feld V der potentiellen Energie.

Das Potential eines konservativen Kraftfeldes ergibt sich durch Lösung der Poisson-Gleichung, einer partiellen Differentialgleichung zweiter Ordnung.

Zusammenhang von Kraft und Drehmoment

Hauptartikel: Drehmoment

Das Drehmoment \vec M kann als Drehwirkung der Kraft \vec F aufgefasst werden. Es ist das Vektorprodukt von Kraftarm und Kraft:

\vec M =\vec r \times \vec F

Dabei ist der Kraftarm \vec r der Ortsvektor vom Drehpunkt zum Punkt, an dem die Kraft angreift (Angriffspunkt). Das bedeutet, je größer der Abstand zwischen Drehpunkt und Angriffspunkt ist, desto größer ist das Drehmoment. Außerdem trägt nur der Anteil der Kraft zum Drehmoment bei, der senkrecht zur Strecke zwischen Drehpunkt und Angriffspunkt ist.

Drehmomente treten unter anderem bei der Zu- oder Abnahme der Drehzahl von drehbaren Körpern auf. Sie spielen dabei eine vergleichbare Rolle wie Kräfte bei der geradlinigen Bewegung. Analog zum Kräftegleichgewicht ist das Drehmomentgleichgewicht ein wichtiger Spezialfall.

Zusammenhang von Kraft und Druck

Hauptartikel: Druck

Wenn eine Kraft auf eine Fläche wirkt, so ist der dadurch erzeugte Druck p der Betrag der auf dieser Fläche senkrecht stehenden Kraftkomponente \vec {F}_{\perp} pro Flächeninhalt A:  p = \tfrac {| \vec {F}_{\perp} |}{A} \,. Das Formelzeichen p darf hierbei nicht mit der Leistung P beziehungsweise mit dem Impuls p verwechselt werden.

Der Druck ist eine intensive Zustandsgröße von thermodynamischen Systemen und zudem eine lineare Feldgröße. Das Konzept ist eine Vereinfachung des allgemeinen Spannungstensors. Die Druckspannung ist im Gegensatz zum Druck keine skalare Zustandsgröße.

Trägheitskräfte bzw. Scheinkräfte

Hauptartikel: Trägheitskraft

Der Wechsel zwischen aristotelischer und newtonscher Auffassung der Kraft macht sich auch in der Bezeichnung Scheinkraft (synonym dazu verwendet: Trägheitskraft) bemerkbar. Der Name Scheinkraft kann irreführen, diese Kräfte sind durchaus messbar und rufen reale Wirkungen hervor. Die Bezeichnung rührt daher, dass sie nur in beschleunigten Koordinatensystemen auftreten und von einem Inertialsystem aus betrachtet nicht existieren. Vereinfacht gesagt handelt es sich um Kräfte, die ein geeigneter außenstehender Beobachter gerade auf das Fehlen einer wirkenden Kraft zurückführen kann, also auf das Trägheitsprinzip.

  • Wenn ein Auto durch eine Kraft \vec F abgebremst wird (Extremfall: Frontalaufprall), so wirkt diese Kraft nicht direkt auf den Fahrer. Gemäß dem Trägheitsprinzip wird sich der Fahrer also mit gleichbleibender Geschwindigkeit geradeaus bewegen, während das Auto sich verlangsamt. Erst durch die Rückhaltesysteme (Sicherheitsgurt und Airbag) werden Zwangskräfte auf den Fahrer ausgeübt, die ihn ebenfalls verlangsamen. Aus seiner Sicht wirkt nun eine nach vorn gerichtete Trägheitskraft, die ihn in Richtung der Windschutzscheibe befördert.
  • In einem Auto, das nach vorne beschleunigt, ist die Trägheitskraft nach hinten gerichtet. Die Insassen fühlen sich nach hinten in die Sitze gedrückt. Wieder sieht der »außenstehende Beobachter« eine Kraft auf das beschleunigte Auto, aber keine auf den Fahrer (der daher »in Ruhe bleiben möchte«).
  • Der Sitz eines Kettenkarussells würde sich ohne Kraftwirkung durch die Kette geradeaus fortbewegen, nur durch die zum Mittelpunkt der durchlaufenen Kreisbahn gerichteten Zentripetalkraft kommt die Kreisbewegung zustande. Ein Mensch auf dem Sitz verspürt die Zentrifugalkraft (Fliehkraft) als Trägheitskraft.

Kraft in der Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie tritt an die Stelle der dynamischen Gesetze der klassischen Mechanik, wenn die betrachteten Geschwindigkeiten nicht mehr gegenüber der Lichtgeschwindigkeit vernachlässigbar sind. In der speziellen Relativitätstheorie muss der Impuls zum relativistischen Impuls verallgemeinert werden, die Kraft bleibt dann weiter aus  \vec{F} = \tfrac{\mathrm d \vec{p}}{\mathrm d t} berechenbar, aber der Impuls lässt sich nicht mehr durch die Beziehung  \vec{p} = m \cdot \vec{v} berechnen. An die Stelle der newtonschen Beziehung »Kraft = Masse mal Beschleunigung«,  \vec{F} = m \cdot \vec{a}, tritt die Gleichung \vec F\,=\,\frac{\rm d}{\rm dt}\frac {m\cdot\vec v}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}.

Die Kraft wird vielmehr zur Minkowskikraft („Viererkraft“) erweitert, die meist als Kμ geschrieben wird und aus dem Viererimpuls berechnet werden kann über K^\mu=\tfrac{\mathrm d p^\mu}{\mathrm d \tau} = \gamma \tfrac{\mathrm d p^\mu}{\mathrm d t} mit der Eigenzeit τ und dem Lorentzfaktor \gamma=1/\sqrt{1-\frac{\mathrm v^2}{c^2}}\,,.

Diese Gleichung, die »Bewegungsgleichung der speziellen Relativitätstheorie für den Viererimpuls«, beschreibt beschleunigte Bewegungen in einem Inertialsystem. Zwischen \vec F und \vec K besteht der Zusammenhang \vec F =\sqrt{1-\frac{\vec v^2}{c^2}}\,\vec K, wobei \vec K = (K^1,K^2,K^3) der räumliche Teil der Viererkraft Kμ ist; der neu hinzukommende zeitliche Teil beschreibt eine Energieänderung, genauer: \tfrac{\mathrm d \tfrac{E}{c}} {\mathrm d \tau} (siehe Viererimpuls und Äquivalenz von Masse und Energie), sodass man auch vom Kraft-Leistung-Vierervektor spricht.

Die allgemeine Relativitätstheorie stellt eine Erweiterung des newtonschen Gravitationsgesetzes dar; sie enthält dieses als Grenzfall für hinreichend kleine Massendichten und Geschwindigkeiten. Ihre Grundlagen wurden maßgeblich von Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhundert entwickelt, sie beschreibt allgemein die Wechselwirkung zwischen Materie (einschließlich Feldern) einerseits und Raum und Zeit andererseits.

Die Gravitationskraft wird in der allgemeinen Relativitätstheorie als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit verstanden: Energie, Impuls und Druck der Materie beeinflussen die Geometrie der Raumzeit, in der sie sich befinden. Dieser Einfluss lässt sich durch den Begriff der »Raumzeitkrümmung« beschreiben. Die räumlichen und zeitlichen Koordinaten werden als gleichberechtigt betrachtet, alle Änderungen werden nurmehr als geometrisches Problem behandelt. Materie, auf die keine Gravitationskraft ausgeübt wird, bewegt sich in Raum und Zeit nicht mehr im naiven Sinn »geradeaus«, sondern entlang einer Geodäte. Nur in ungekrümmten Räumen ist die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten eine Gerade, was dort die Geradeausbewegung des freien Körpers verursacht. Die Bewegung eines Körpers in gekrümmten Räumen folgt dagegen der dortigen Geometrie der Raumzeit.

Physikalisch entspricht die Bewegung entlang einer Geodäte dem freien Fall. Ein Großteil der Schwerkraft wird somit darauf zurückgeführt, dass der Erdboden durch die gegenseitige Abstoßung der Atome, aus denen die Erde besteht, relativ zu einem frei fallenden Gegenstand nach oben beschleunigt wird. Abgesehen von Gezeitenkräften verspürt ein Mensch auf dem Erdboden also fast die gleiche Kraft, als würde er in einer gleichmäßig beschleunigten Rakete stehen. Diese Gezeitenkräfte, die in jedem Gravitationsfeld herrschen, zeigen sich bei einem ausgedehnten Objekt als Verformungskräfte. Im Gravitationsfeld eines kugelförmigen Körpers (wie der Erde) ziehen die Gezeitenkräfte das Objekt in Fallrichtung in die Länge und schieben es senkrecht zur Fallrichtung zusammen. Gezeitenkräfte folgen direkt aus der Raumzeitkrümmung und sind besonders stark bei sehr massereichen Objekten wie einem schwarzen Loch.[13]

Kraft in der Quantenmechanik

Bei der Wechselwirkung kleinster Teilchen liefern Experimente Ergebnisse, die der klassischen Mechanik widersprechen. Insbesondere sind bestimmte Phänomene quantisiert, das heißt sie laufen nicht kontinuierlich ab, sondern treten nur in bestimmten Portionen auf – den sogenannten »Quanten«. Kräfte werden in der Quantenmechanik wie in der klassischen Mechanik durch Kraftfelder beschrieben, sind also nicht gequantelt. Allerdings können anziehende Kräfte eine Quantelung der möglichen Teilchenenergien bewirken. So sorgt die anziehende elektrische Kraft des Atomkerns dafür, dass die Elektronen im Atom nur bestimmte Energien haben können.

Es gibt quantenmechanische Effekte, die sich wie eine Kraft bemerkbar machen, aber nicht auf die Wirkung einer der Grundkräfte zurückzuführen sind. Beispielsweise ist das Pauli-Prinzip Ursache der Austauschwechselwirkung, die unter anderem zu der Abstoßung zwischen Atomen bei kleinen Abständen beiträgt.

Kraft in den Quantenfeldtheorien

Die zweite Quantisierung führt zu »Kraftteilchen« 

Ab 1927 wurde versucht, die „Quantisierung“ nicht nur auf die ursprünglichen Objekte der Quantenmechanik, die Partikel, sondern auch auf Felder (z. B. das elektrische Feld) anzuwenden, woraus die Quantenfeldtheorien entstanden; man spricht auch von der »zweiten Quantisierung«. Die Quantisierung der Felder wird auch im Bereich der Festkörperphysik und anderen Vielteilchentheorien angewandt.

In der Quantenfeldtheorie werden alle Kräfte auf den Austausch von virtuellen Bosonen zurückgeführt, diese Wechselwirkungsteilchen zu jeder der vier Grundkräfte sind sozusagen einzelne »Kraftteilchen«.

Konkrete Quantenfeldtheorien sind die Quantenelektrodynamik (diese beschreibt Elektronen, Positronen und das elektromagnetische Feld) und die Quantenchromodynamik (diese beschreibt die starke Kernkraft, also unter anderem den inneren Aufbau der Protonen und Neutronen). Außerdem wurde die schwache Kernkraft mit der Quantenelektrodynamik zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung zusammengeführt. Das elektroschwache Modell bildet mit der Quantenchromodynamik das so genannte Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Es enthält alle bekannten Teilchen und kann die meisten bekannten Vorgänge erklären (allerdings ist das Schwerefeld (Gravitation) nicht enthalten, es existiert keine konsistente Theorie der Quantengravitation und es gibt noch weitere Defizite des Standardmodells, z. B. ist das sog. Higgs-Teilchen, das in der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung die Masse der „schwachen“ Eichbosonen W+, W - und Z, erklären würde, bisher noch nicht gefunden). Im Standardmodell fungieren Eichbosonen als Kraftteilchen zur Vermittlung von Wechselwirkungen. Da Kräfte durch Wechselwirkungsteilchen vermittelt werden, ist die Kraft quantisiert.

Vereinheitlichung der Grundkräfte

In der heutigen Physik werden meist vier Grundkräfte bzw. Wechselwirkungen unterschieden. Sortiert nach abnehmender Stärke sind das:

Eines der Ziele der Physik ist es, in einer »Großen vereinheitlichten Theorie« alle Grundkräfte oder Wechselwirkungen in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben, wie in der Tabelle dargestellt. Dazu nimmt man an, dass diese Grundkräfte zum Zeitpunkt des Urknalls eine einzige Kraft waren, die sich in Folge der Abkühlung in die einzelnen Kräfte aufspalteten.

Starke
Wechselwirkung
Elektrostatik Magnetostatik Schwache
Wechselwirkung
Gravitation
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Quantenchromodynamik Quantenelektrodynamik Allgemeine
Relativitätstheorie
Elektroschwache Wechselwirkung
Große vereinheitlichte Theorie
Quantengravitation oder Weltformel

Auf diesem Weg gab es bereits Erfolge, beispielsweise bei der Zusammenfassung der elektromagnetischen Wechselwirkung und der magnetischen Wechselwirkung; Erscheinungen, die durch den Magnetismus und »magnetische Kräfte« beschrieben werden, sind erklärbar als relativistischer Nebeneffekt elektrischer Ströme. Ebenso ist es bereits gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht zu beschreiben. Es handelt sich daher nach dem gegenwärtigen Wissenstand streng genommen nur um drei verschiedene und voneinander unabhängige Grundkräfte.

Einzelnachweise und Fußnoten

  1. Joachim Grehn: Metzler Physik. Schroedel, Hannover 1992, ISBN 3-507-05209-1., S. 30, die Bezugnahme auf das Lateinische findet sich in der 4. Auflage von 2007 nicht mehr.
  2. a b Günther Drosdowski; Paul Grebe: Das Herkunftswörterbuch. Die Etymologie der deutschen Sprache. Bd .7. Dudenverlag, Mannheim 1963, ISBN 978-3411009077., S. 364
  3. a b c Wolfgang Pfeifer (Leitung): Etymologisches Wörterbuch des Deutschen. Ungekürzte, durchgesehene Ausgabe. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 1995. ISBN 3-05-000626-9; 7. Aufl. 2004, ISBN 3-423-32511-9 . Eine digitale Fassung dieses Wörterbuchs ist abrufbar im lexikalischen Informationssystem: http://www.dwds.de/
  4. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), deutsche Ausgabe Mathematische Prinzipien der Naturlehre. Übersetzt und erläutert von Jacob Philip Wolfers, Oppenheim, Berlin 1872. (Unveränderter Nachdruck Minerva, 1992, ISBN 3-8102-0939-2)
  5. Hans Peter Sang: Geschichte der Physik. Klett, Stuttgart 1999, ISBN 3-12-770230-2., S. 7
  6. Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X., S. 77
  7. Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X., S. 209
  8. In diesem Zusammenhang wurde zeitweise nicht die Masse, sondern die Kraft als Grundgröße benutzt und die jeweils andere Größe als „abgeleitete Größe“ bezeichnet: Man verwendete damals als Grundgröße die Krafteinheit „1 Kilopond“ statt der vorher und nachher üblichen Masseneinheit „1 Kilogramm“, indem man für die entsprechenden Gewichtskräfte per Gesetz Messverfahren zur Eichung vorschrieb.
  9. Artikel über Grenzflächenphysik auf wissenschaft-online
  10. Giebel, Karl-Friedrich: Wellenleitermikroskopie : eine neue Methode zur Kraftmessung in biologischen Systemen. In: Dissertation : Universität Konstanz, Fachbereich für Physik. 2003, abgerufen am 25. Juli 2009 (pdf).
  11. H. Schrecker: Der Weg zum physikalischen Kraftbegriff von Aristoteles bis Newton. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie. 36, Nr. 34, 1988, (gekürzte Fassung online)
  12. Causal Determinism, Carl Hoefer, Artikel in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch)
  13. Dragon, Norbert: Geometrie der Relativitätstheorie. (Vorlesungsskript). (http://www.itp.uni-hannover.de/~dragon/stonehenge/relativ.pdf, abgerufen am 21. Mai 2009).

Literatur

  • Wolfgang Nolting: Klassische Mechanik. In: Grundkurs Theoretische Physik. Bd. 1, 8. Auflage. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-34832-0.
  • Richard P. Feynman: Feynman-Vorlesungen über Physik. Oldenbourg, München/Wien 2007, ISBN 978-3-486-58444-8.
  • Paul A. Tipler: Physik. 3. korrigierter Nachdruck der 1. Auflage. 1994, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin, 2000, ISBN 3-86025-122-8.
  • Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Mechanik - Akustik - Wärme. In: Lehrbuch der Experimentalphysik. Bd. 1, 12. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2008, ISBN 978-3-11-019311-4.

Weblinks

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