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Grundwissen Physik Klasse 8

 

Unterrichtseinheit Kräfte

 

Inhalt:

Grundwissen für die 8. Klasse.

  • Physikalische/nicht physikalische Kräfte
  • Kraftmessung
  • Anwendung zu Messzwecken: Federkraftmesser
  • Krafteinheit
  • Die Gewichtskraft
  • Der Kraftpfeil
  • Die Trägheit

 

Kräfte

Physikalische Kräfte:

Angabe der Ursache einer Kraft

Angabe der Wirkung einer Kraft

  • Muskelkraft
  • Magnetische Kraft
  • Elektrische Kraft
  • Motorkraft
  • ...
  • Beschleunigungskraft
  • Bremskaft
  • Hubkraft
  • Dehnungskraft
  • ...

Nicht physkalische Kräfte:

Überzeugungskraft, Waschkraft, politische Kraft, ...

Merke

Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen Sie können

  • Körper beschleunigen
  • Körper abbremsen
  • Deren Bewegungsrichtung ändern

► Sie können den Bewegungszustand des Körpers ändern
    und/oder den Körper verformen.

 

 
Kraftmessung

Versuch

Kraftmessung an einer Feder

Bei dem Versuch hängt man unterschiedliche Gewichte an eine Feder.
Dabei beobachtet man, dass sich die Länge der Feder ändert.

Beobachtung

 

Ergebnis

Je größer die Kraft F, desto größer die Dehnung s.

bei guten Federn gilt:

  • einfache Kraft 1 • F  —  einfache Dehnung 1 • s
  • doppelte Kraft 2 • F  —  doppelte Dehnung 2 • s
  • dreifache Kraft 3 • F  —  dreifache Dehnung 3 • s
 

Formel

Die Dehnung s ist zur Kraft F proportional!

Kurzschreibweise:
s ≈ F wie auch umgekehrt F ≈ s = Hookesches Gesetz!

 

 
Anwendung zu Messzwecken: Federkraftmesser

Kraft F in Newton

Dehnung s in Meter

Verhältnis F/s in N/m

0

0

-

1

0,2

5

2

0,4

5

3

0,6

5

...

...

5

Man sagt die Federkonstante beträgt D = 5 N/m und meint damit, dass man 5N bräuchte, um die Feder um einen Meter zu dehnen. 

F1/s1 = F2/s2 = ... konstant = Federkonstante = Federhärte = D

 

Zeichnerische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Kraft F und Dehnung s.


 

Formel

D  =  F / s

Federhärte = Kraft / Dehnung

 

 
Krafteinheit

Aufgabe / Lösung

Was ist 1 Netwon?

Erde

Mond

1. Es verformt einen Körper in definierter Weise.

Definition: Ein Körper der Masse 102g übt auf der Erde die Gewichtskraft G = 1 N aus.

Problem: Diese Definition ist ortsabhängig.
Auf dem Mond zum Beispiel übt ein Körper der Masse 613g die Gewichtskraft G = 1 N aus!

 

2. Es beschleunigt einen Körper in definierter Weise.

  • Der Wagen soll die Masse 1Kg haben
  • Er soll auf die Geschwindigkeit 1m/s
  • Dies soll in 1Sekunde geschehen

Definition:
1 N ist die Gewichtskraft F, die man braucht um einen Körper der
Masse m = 1 Kg in der Zeit t = 1 s auf die Geschwindigkleit v = 1 m/s zu beschleunigen.

 

 
Die Gewichtskraft

Versuch:

Ich nehme meine Hand weg. Wegen dieser Kraft findet nun eine beschleunigte Bewegung statt. Diese beschleunigende Kraft nennt man Gewichtskraft, Schwerkraft, Gravitationskraft oder aber auch Massenanziehungskraft.

Aufgabe / Lösung

In welche Richtung zeigt die Schwerkraft?

Nach unten!? Genauer: Zum Erdmittelpunkt.
Die Erde zieht Körper an. Der Mond zieht Körper an. Alle Körper ziehen Körper an!

Alle Körper ziehen sich gegenseitig an. Die Anziehungskraft wird um so größer je näher sie sich kommen und je größer sie sind.

Ein Körper allein hat keine Gewichtskraft.

Die Gewichtskraft ist eine naturgegebene Anziehungskraft zwischen Körpern.
Im Alltag spielt diese Anziehungskraft zwischen kleinen Körpern keine Rolle –› sie ist zu gering. Nur wenn einer der beiden Körper groß ist, z.B. die Erde, ist diese Kaft deutlich messbar und spürbar.

Man sagt "Der Körper ist schwer. Das bedeutet in Wirklichkeit:
er erfährt eine Anziehungskraft von der Erde, Gewichtskraft G genannt.

Aufgabe / Lösung

Ist die Gewichtskraft überall gleich groß?

Die Erde ist wegen der Rotation ein Ellipsoid.
RadiusÄquator > RadiusPol

Ergebnis: Die Gewichtskraft am Äquator ist kleiner als die Gewichtskraft am Pol. Das Gewicht eines Körpers ist ortsabhängig!


 

Der Kraftpfeil

Die Wirkung einer Kraft hängt ab

  • vom Betrag (der Stärke) der Kraft

  • von der Kraftrichtung

  • vom Angriffspunkt der Kraft

Beispiel

Ein Hund erwischt einen Einbrecher. Kräfte können durch Pfeile dargestellt werden (Schreibweise: )
 

Aufgabe / Lösung

Bestimme folgende Kräfte:

Kraftpfeile sind erst mit einem Maßstab interpretierbar.
Zum Beispiel:

 Maßstab 1 cm  10 N

Da der Pfeil 3,5 cm lang ist, beträgt die Kraft des Kraftpfeils 35 N.

 

Welche Kräfte wirken auf ein Massenstück an einem Federkraftmesser?

Wirken auf ein und denselben ruhenden Körper zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte, dann herrscht am Körper Kräftegleichgewicht (kurz: KGG); er bleibt in Ruhe und wird höchstens verformt oder gedreht.
F = G     bzw.      

 

Beispiel

 

 
Die Trägheit

Beispiel: Rakete im Weltraum (dort gibt es keine Gewichtskraft!)

Beschleunigung durch beschleunigende Kraft Die träge Rakete behält ihren Bewgungszustand bei, also
v = 1km/s = konstant
ohne Krafteinwirkung
v wird reduziert durch abbremsende Kraft in Gegen-richtung

Rakete behält ihren Bewegungszustand (schnell zu sein) bei. Die Eigenschaft haben alle Körper, man sagt sie sind träge. Diesen Sachverhalt nennt man das Trägheitgesetz.

Beispiel: Auto auf einer Autobahn

v = 0
Beschleunigung
mit
FMotor = 1000N
durch Gasgeben     
v steigt
FMotor > FLuft
FMotor überwiegt und beschleunigt Auto
v = 150km/h = konst.
FMotor = FLuft Kräftegleichgewicht zwischen FMotor und Luftwiderstand FLuft
Gasverringern
v sinkt
FMotor < FLuft
FLuft überwiegt und bremst Auto ab
v = 75km/h = konst.
FMotor = FLuft
Kräftegleich-gewicht zwischen FMotor
und
Luftwiderstand FLuft

Der Luftwiderstand nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit auch zu. Ein Auto kann so lange beschleunigen, bis die Luftwiderstandskraft FL die Motorkraft FM ausgleicht. Dann bewegt sich das Auto mit konstanter Geschwindigkeit weiter.

Merke

Wenn auf einen Körper keine Kräfte wirken (Rakete im Weltraum) oder ein Kräftegleichgewicht herrscht (Auto auf Autobahn), so ändert er seinen Bewegungszustand nicht:

  1. Ist er in Ruhe, so bleibt er in Ruhe
  2. Ist er in Beweung, so bleibt er in Bewegung und behält Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung bei.

Kurz gesagt: Körper sind träge = Trägheitsgesetz

Beispiel: Auffahrunfall

Träger Körper "will" Bewegungszustand(100 km/h) beibehalten.
Besser: Sicherheitsgurt! ;)

 
Beispiel: Auto in Kurve bei Glatteis

Träger Körper "will" Bewegungszustand, also auch Bewegungsrichtung beibehalten.


     
 

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