Ein Auto rollt aus, nachdem man das Gaspedal losgelassen hat. Ein anderes Auto bremst stark ab und kommt zum Stillstand. Ein drittes Auto durchfährt eine Kurve, ohne seine Geschwindigkeit zu ändern. Die Physik betrachtet all diese Fälle unter demselben Gesichtspunkt: Was bewirkt eine Änderung der Geschwindigkeit eines Objekts?
Bewegung bedeutet eine Änderung der Position. Die entscheidende Größe ist die Geschwindigkeit ; sie gibt an, wie schnell und in welcher Richtung sich die Position ändert. Ihre SI-Einheit ist Meter pro Sekunde . Die Geschwindigkeit kann sich auf drei Arten ändern: Ihr Betrag kann zu- oder abnehmen, oder sie kann ihre Richtung ändern.
Eine Änderung der Geschwindigkeit ist die Beschleunigung . Die Beschleunigung gibt an, wie schnell sich die Geschwindigkeit pro Sekunde ändert, und sie zeigt in die Richtung, in die die Geschwindigkeit „gedrängt“ wird. Ihre SI-Einheit ist Meter pro Sekunde im Quadrat . Beim Bremsen auf gerader Strecke zeigt die Geschwindigkeit nach vorne, während die Beschleunigung nach hinten gerichtet ist. Bei einer Kurvenfahrt mit gleichbleibendem Tempo bleibt der Betrag der Geschwindigkeit zwar unverändert, aber die Richtung der Geschwindigkeit ändert sich; folglich wirkt eine Beschleunigung, die zum Kurveninneren hin gerichtet ist.
Nutzen Sie die beschriftete Darstellung, um die Pfeile mit einem realen Bremsvorgang in Verbindung zu bringen und die Kräfte von der daraus resultierenden Bewegung zu unterscheiden.
Eine Kraft ist nicht dasselbe wie eine Bewegung. Kräfte sind angenommene Ursachen. Eine Bewegung ist das Ergebnis, das man messen kann.
Eine Kraft ist eine Wechselwirkung, die die Geschwindigkeit eines Objekts ändern oder es verformen kann. Eine Kraft ist ein Vektor; sie besitzt also sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. Das übliche Formelzeichen ist . Die SI-Einheit ist das Newton .
Wenn man in der Physik eine Kraft beschreibt, muss man drei Dinge angeben: den Verursacher, der die Kraft ausübt, das Objekt, auf das sie wirkt, und die Richtung, die man als positiv festlegt. So kann beispielsweise eine Straße ein Auto nach oben drücken, und Bremsen können durch Reibung an den Reifen eine Kraft nach hinten auf das Auto ausüben.
Zu den Kräften, denen man zu Beginn dieses Kurses begegnet, gehören:
Häufiger Fehler: Eine Kraft als etwas zu betrachten, das ein Objekt „besitzt“ – wie eine gespeicherte Eigenschaft. Eine Kraft ist etwas, das zwischen Objekten stattfindet. Ohne Wechselwirkung keine Kraft.
Die Masse ist ein Maß für die Trägheit eines Objekts, also dafür, wie stark es sich Änderungen seiner Geschwindigkeit widersetzt. Ihre SI-Einheit ist das Kilogramm . Ein Einkaufswagen mit größerer Masse lässt sich schwerer beschleunigen, abbremsen oder in eine andere Richtung lenken, da für die Änderung seiner Geschwindigkeit eine stärkere Wechselwirkung erforderlich ist.
Die Gewichtskraft ist eine Kraft. Sie entspricht der Gravitationswirkung auf ein Objekt und ist nahe der Erdoberfläche nach unten gerichtet. Ihre SI-Einheit ist das Newton . Die Gewichtskraft hängt von der lokalen Schwerebeschleunigung ab, die nahe der Erde etwa beträgt.
Physikalisch betrachtet handelt es sich um ein Objekt in der Nähe eines Planeten, wobei die Gravitation über die Ausdehnung des Objekts hinweg als annähernd gleichförmig angenommen wird. Die Modellannahmen lauten: Das Objekt ist im Vergleich zum Planeten klein, und ist im Bewegungsbereich näherungsweise konstant. Unter diesen Bedingungen besteht zwischen Gewichtskraft und Masse folgender Zusammenhang:
Hierbei ist die Gewichtskraft in Newton, die Masse in Kilogramm und die Schwerebeschleunigung in Metern pro Quadratsekunde. Überprüfung des Grenzfalls: Ist , so ist auch . Dies entspricht der Vorstellung, dass ohne Masse kein Angriffspunkt für die Schwerkraft vorhanden ist.
Vergleichen Sie die Messwerte von Waagen auf der Erde und auf dem Mond, um zwischen dem, was sich ändert (der Gravitationskraft), und dem, was gleich bleibt (der Trägheit des Objekts), zu unterscheiden.