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strøm

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Fysisk størrelse
Efternavn strøm
Formelsymbol ,
Størrelse og
Enhedssystem
enhed dimension
SI N = kg · M · S −2 M. · L · T −2
cgs dyn = g · Cm · S −2 M. · L · T −2

Kraft er et grundlæggende udtryk i fysik . I klassisk fysik forstås det som en handling på et legeme, der fremskynder det , dvs. øger eller formindsker dets hastighed eller ændrer dets retning, eller som deformerer det. Der kræves kræfter for at arbejde for at udføre, med energien fra et legeme eller et fysisk system ændres.

Styrker er rettet fysiske størrelser, der kan repræsenteres af vektorer . For to kræfter, der angriber på samme punkt, gælder følgende: Hvis de er modsatte og lige så stærke, annullerer de hinanden ( kræfternes balance ). Ellers kan de kombineres for at danne en resulterende kraft , der bestemmes ved hjælp af et kraftparallellogram . Styrker har forskellige årsager eller virkninger og er undertiden opkaldt efter dem, såsom friktionskraft , centripetalkraft og vægt . Nogle styrker blev også opkaldt efter mennesker, der har ydet et væsentligt bidrag til deres forskning, såsom Coriolis -styrken , Coulomb -styrken eller Lorentz -styrken .

SI -kraftenheden er newton . Kraftsymbolet er for det meste (fra latinsk fortitudo eller engelsk kraft ) [1] eller sjældent efter begyndelsen af ​​det tyske ord.

Det fysiske magtbegreb går hovedsageligt tilbage til Isaac Newton , der i 1600 -tallet lagde grundlaget for den klassiske mekanik med de tre newtoniske love . Han definerede kraften som en ændring i momentum over tid [2] og identificerede den som årsagen til enhver ændring i et legems bevægelsestilstand . Han erkendte også, at hvert legeme, der udøver en kraft på et andet, oplever en modsatrettet, lige så stor reaktionskraft .

I visse tilfælde bruges udtrykket kraft også i overført betydning, synonymt med interaktion og løsrevet fra repræsentationen ved en mekanisk kraftvektor. De fire grundlæggende vekselvirkninger er også kendt som fysikkens grundlæggende kræfter . De er årsag ikke kun til alle kendte manifestationer af kræfter, men til alle processer, der kendes i fysikken. En af de fire grundlæggende kræfter, tyngdekraften , er beskrevet i den generelle relativitetsteori ved rumtidens krumning. De tre andre grundkræfter forklares i standardmodellen for partikelfysik ved udveksling af målebosoner , som ofte også omtales som kraftpartikler .

Ord og begrebs historie

Ordet kraft

Ordet magt er af gammel germansk oprindelse [3] og var forbundet med muskelspændinger . [4]

I fysisk terminologi kraft (eller kraft) senest i 1600 -tallet med latin vis ligestillet. [5]

Det græske ord for kraft, δύναμις, lever videre i navnet på den fysiske gren dynamik , teorien om bevægelse under påvirkning af kræfter. Den er også baseret på den kraft enhed dyn af den CGS-systemet af enheder .

Uden for fysikken betegner kraft

  • en fysisk eller mental kvalitet, der tilhører en bestemt bruger. Fordi han har denne magt , er han i stand til visse handlinger og kan dermed opnå visse effekter. Eksempler er: mental magt , politisk magt , kraftfuld stemme , stærkt sprog osv. Andre formuleringer såsom at udøve en kraft , under hvilken kraft falder sammen , er mere orienteret mod handlingens forløb og kommer dermed tættere på det fysiske udtryk.
  • Siden omkring slutningen af ​​1700 -tallet kan magt også betyde de mennesker selv, der er magtbærere ( væbnede styrker , arbejdere , lærere ).
  • I det juridiske sprog betyder kraft allerede gyldighed eller effektivitet i gammelt højtysk [4] , som kun kommer til udtryk i visse formler: forbliv ind / ud af kraft / indtast / sæt (jf. Juridisk bindende ). Prepositionen kraft (altid med genitivsagen ) opstod ved forkortelse fra in / through force , f.eks. I kraft af sit embede eller i formuleringen "... det tyske folk i kraft af deres konstituerende magt ..." fra præamblen til grundloven .

Rødderne til det generelle og mekaniske magtbegreb

Aristoteles

Oprindelsen af ​​magtbegrebet (ifølge Max Jammer ) ligger i den menneskelige erfaring, at når først en hensigt er skabt, kan det omsættes i praksis. Begrebet magt er derfor tæt forbundet med årsagsprincippet helt fra begyndelsen: magtudøvelse er resultatet af beslutningen, den frembragte virkning er resultatet af magtvirkningen. Ud fra de enkleste eksempler, såsom forsætlig bevægelse af dele af ens egen krop eller andre objekter, tilskrives alle processer, der ændrer en antaget naturlig tilstand eller tingenes gang, generelt kræfternes handling. Dette inkluderer også tilfælde af forhindring af en naturligt forekommende proces, f.eks. Når et objekt kan forhindres i at falde naturligt ved anvendelse af en kraft. Visse kræfter er blevet holdt ansvarlige for uforklarlige processer, sandsynligvis siden forhistorisk tid. De var længtes efter eller frygtede og undertiden personificerede, påberåbes og tilbedes i form af guder af forskellige rækker.

Fysiske kræfter i den snævrere mekaniske forstand er blevet diskuteret siden oldtiden i forbindelse med problemer med hvile og bevægelse af kroppen. Statik behandlede spørgsmålet om, hvilke kræfter der skal bruges til at holde et legeme i ro (eller i ligevægt). Archimedes opdagede Archimedes 'princip som loven om hydrostatisk opdrift og lov om løftestænger allerede i oldtiden. Ligevægten mellem tre kræfter blev først angivet i 1500 -tallet af Simon Stevin gennem tilstanden i den lukkede trekant af kræfter. Dette svarer til det velkendte parallelogram af kræfter . Stevin var også den første til at udlede tilstanden af ​​ligevægt på det skrå plan. [6] Hermed blev de "fire enkle maskiner" præsenteret detaljeret i universitetets lærebøger om fysik langt ind i 1800 -tallet.

Siden Aristoteles er det fremherskende syn på legemers bevægelse [7], at en kraft kun er nødvendig for at afskrække et legeme fra dets naturlige bevægelsesform, så det udfører en tvungen bevægelse . Den naturlige bevægelse af himmellegemer var den cirkulære vej og jordiske legemer med frit fald. En tvungen bevægelse, f.eks. Et skævt kast eller et pendelsving, ender automatisk, så snart den bevægelige kraft ophører med at virke. Den bevægende krafts virkning kunne ikke finde sted på afstand , men kun på en mekanisk måde, det vil sige ved slag, trækkraft eller friktion med direkte kontakt mellem to kroppe. Den kastede sten menes at være den omgivende luft, der drev den fremad. Kraften bestemmer også kroppens hastighed i bevægelse på en måde, der senere blev fortolket som en proportionalitet med den forårsagede hastighed. [8] En ensartet påført kraft blev set som et hurtigt resultat af umærkeligt små påvirkninger.

I middelalderen gav den aristoteliske doktrin anledning til forskellige bevægelseslære, som til sidst blev en del af impulsteorien . Følgelig giver et skub eller kast i begyndelsen af ​​bevægelsen kroppen en impuls, der driver den fremad. Denne drivkraft, der er præget på kroppen og placeret i den, slækker med tiden, hvilket forstærkes af mediets modstand, f.eks. Luft. Også i impulsteorien ender hver bevægelse automatisk, når impulsen er brugt op, og kroppen ikke længere har nogen styrke . I modsætning til Aristoteles 'synspunkt var kontinuerlig handling fra den eksterne flytter ikke længere nødvendig. Proportionaliteten af ​​den påtrykte impuls og hastighed blev imidlertid bevaret, f.eks.

Dagens begreb om fysisk kraft blev erstattet af det, da det blev brugt i renæssancen i det 16. og 17. århundrede. I 1800 -tallet blev jordiske og himmellegemers bevægelser undersøgt gennem mere præcise og målende observationer. Det viste sig (blandt andre af Nikolaus Kopernikus , Galileo Galilei , Johannes Kepler ), at disse bevægelser følger simple regler, som Isaac Newton kunne forklare ved en fælles bevægelseslov, hvis man tager et nyt magtbegreb til grund. Newtons magtbegreb, som blev grundlaget for den klassiske mekanik, [9] er udelukkende baseret på bevægelse. Som et mål for den anvendte kraft bestemmer den afvigelsen fra kroppens rene inertialbevægelse, som igen blev antaget at være lige og ensartet. Med dette tabte vægten også ejendommen til en iboende egenskab ved den enkelte krop og blev en imponeret kraft, hvis styrke kunne bestemmes via tyngdekraftens acceleration. Newton brugte imidlertid sig selv, såvel som sin efterfølger, selv til 1800 -tallet, ordet kraft i nogle passager i en anden forstand, dets inertikraft for lignende. B. undertiden drivkraften.

Det moderne koncept for mekanisk kraft

Galileo Galilei

Galileo blev også formet af den aristoteliske tradition, men med sin inertilov kom han meget tæt på at overvinde den. [10] (s. 209) Han erkendte, at hvile og ensartet vandret bevægelse fysisk ikke er væsentligt forskellige (se Galileo invariance ). Med denne viden afledte Christiaan Huygens derefter bevarelsen af ​​impuls og dermed choklovene . Disse love viste, at ensartet bevægelse og hvile ikke adskiller sig ved, at en separat kraft er nødvendig for blot at bevare bevægelsen, men ikke for vedligeholdelsen af ​​resten. Det er snarere kun ændringen i den respektive bevægelsestilstand, der kræver en ekstern indflydelse. Lidt senere specificerede Isaac Newton denne indflydelse i sine bevægelseslove . Først definerede han (ligesom Descartes før ham) den påvirkede tilstand af bevægelse som lige og ensartet og definerede i sit nye udtryk vis impressa (latin for imponeret kraft ) den hastighed, hvormed denne bevægelsestilstand ændres som et mål for kraft. Dette magtbegreb gælder stadig efter yderligere afklaring af Leonhard Euler og Jean-Baptiste le Rond d'Alembert ; det er et af grundlaget for den klassiske mekanik . Newton selv ikke altid bruge udtrykket vis impressa i denne forstand og bruges det samme ord vis, blandt andet som vis inertiae for kroppens forsøg på at opretholde sin tilstand af bevægelse, dvs. dens inerti. [10] (s. 262)

Desuden blev ordet kraft brugt langt ind i 1800 -tallet i andre fysiske betydninger, der heller ikke var omfattet af den newtonske definition, f.eks. B. i betydningen af ​​nutidens momentum og energi . Indtil det moderne energibegreb opstod og etablerede sig, blev kinetisk energi for eksempel omtalt som udtryk for levende kraft ( vis viva ) , der blev opfundet af Gottfried Wilhelm Leibniz , som blev brugt af Hermann von Helmholtz i 1800 -tallet og i begyndelsen Teknisk mekanik fra det 20. århundrede blev brugt. Dette fortsætter med ord som kraftværk og motorkøretøj til maskiner, der leverer energi. [4]

Magt i naturlæren og naturfilosofien

Ud over det koncept, der er specificeret i newtonsk mekanik, var kraft også et af de mest generelle grundbegreber inden for naturvidenskab . Indtil første halvdel af 1800 -tallet dannede naturvidenskaben reservoiret for den beskrivende naturvidenskab og dermed også det empiriske grundlag for naturfilosofi . I dette blev de kræfter, som en ting besidder, anset for at være årsagen til enhver ændring eller virkning, den kan producere. En tings kræfter blev set som indbegrebet af dens natur , hvorved naturen ifølge ordets oprindelige betydning betegnede alt, hvad der ikke blev fremstillet kunstigt, dvs. gennem menneskelig kunst . [11] I naturteorien måtte der gives en årsag i form af en konstant virkende kraft til den rene ændring af position i et legeme. I tilfælde af ensartet, lige linje bevægelse var dette en inertial kraft i kroppen, som ikke må forveksles med det nuværende begreb om en inertial kraft . En acceleration eller retningsændring var da kun mulig gennem den samtidige handling af en yderligere anden kraft. Dette magtbegreb, der i sidste ende opstod fra gammel filosofi, passede godt med dagligdags forståelse, men var uforeneligt med den newtonske mekanik. Ikke desto mindre kan den findes i Tyskland, selv i fysiske lærebøger indtil sidst i 1800 -tallet, to hundrede år efter Newton og hundrede år efter, at newtonsk mekanik havde etableret sig gennem sine ubestridelige succeser og dermed udviklet sig til den første universelt anerkendte eksakte naturvidenskab . [12]

Kritik af begrebet mekanisk kraft

Newtons mekanik og især dets magtbegreb blev fra begyndelsen kritiseret med forskellige begrundelser. På den ene side var det ikke muligt at forklare fænomenerne ud fra de første principper på en sådan måde, som det var forventet af naturfilosofi (og filosofi generelt) dengang. Kraft optrådte i den newtonske mekanik som et nyttigt, men kun matematisk, hjælpebegreb til analyse og beskrivelse af bevægelser, som dog har en tendens til at efterlade de virkelige årsager skjult. Newton selv havde ønsket at forhindre denne kritik med sætningen "I do not make any hypotheses" (" Hypotheses non fingo ", i sit hovedværk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ). Desuden - delvist med rette - blev uklarheder i forholdet mellem den accelererende kraft (vis impressa) og inerti -kraften (vis inertiae) kritiseret. I den romantiske naturfilosofi om tysk idealisme ( Friedrich Schelling , Georg Friedrich Hegel ) kulminerede denne kritik i en vedvarende, grundlæggende afvisning af moderne naturvidenskab på den måde, Newton grundlagde i begyndelsen af ​​1800 -tallet. [13] [14]

Et andet modargument var, at man med Newtons magtbegreb skulle forstå tyngdekraften som en handling på afstand, der kunne trænge igennem absolut tomt rum. Newton selv protesterede voldsomt mod denne konklusion, fordi det var i modsætning til den traditionelle opfattelse (f.eks. Descartes ), at intet legeme kan gøre noget, hvor det ikke er. Selv med Leonhard Euler [15] blev muligheden for en sådan langdistanceeffekt betragtet som en absurd antagelse.

I slutningen af ​​1800-tallet blev det indvendt ( Ernst Mach , Gustav Kirchhoff , Heinrich Hertz ), at oprindelsen til det newtonske magtbegreb ligger i sammenhængen med begreberne årsag-virkning, som er fuldstændig formet af den menneskelige opfattelse af hvad sker der. Derfor bør begrebet kraft i mekanik ikke være et af de grundlæggende begreber, men bør endda helt elimineres, hvis det er muligt. At dette faktisk er muligt blev vist ved udviklingen af ​​klassisk mekanik af (blandt andre) Lagrange og Hamilton , ifølge hvilken viden om formlerne for et kinetisk systems kinetiske og potentielle energi er tilstrækkelig til fuldt ud at bestemme dets bevægelsesligninger. Moderne kvantemekanik og kvantefeltteori har fulgt denne vej. Her kraft - hvis dette udtryk overhovedet forekommer i newtonsk forstand - og endda potentiel energi er ikke grundlæggende udtryk, men er afledt som effektive størrelser under visse betingelser, der er karakteristiske for klassisk fysik. I teknisk mekanik var derimod magtens centrale rolle ubestridt.

Grundlæggende kræfter i fysik

I dagens kvantefeltteori er oprettelse og tilintetgørelse af en elementarpartikel af en anden på grund af en af ​​de grundlæggende vekselvirkninger grundlæggende for udledning af kraft som en effektiv størrelse. En af betingelserne, der skal overholdes, er vedligeholdelse af total momentum og total energi . Samlet set kommer dette meget tæt på det tidligere billede af, at mekanisk kraft er et resultat af små påvirkninger. I den bredere betydning af ordet kraft omtales disse fundamentale vekselvirkninger sammen med tyngdekraften også som de grundlæggende naturkræfter ; alle kendte fysiske processer mellem kroppe kan spores tilbage til dem.

Måling af kræfter

Tvangsmåling med Hookes lov , her i formularen

En kraft kan bestemmes via en afstandstidsmåling, hvis den forårsager en acceleration. Ifølge Newtons anden lov gælder for organer med konstant masse og konstant acceleration forholdet . Dette forhold kan også udledes af den afledte enhed Newton ( ) kan læses. I praksis drages der ofte konklusioner om kraften fra et kendt (fordelagtigt lineært ) forhold mellem den virkende kraft og en let målbar variabel. Eksempler på dette er deformation af et elastisk materiale eller ændringen i den elektriske modstand af en belastningsmåler .

En kraft kan bestemmes på forskellige måder af den deformation, den forårsager. I skoletimerne og i nogle enkle applikationer måles kræfter med såkaldte fjederdynamometre via ændringen i længden af spiralfjedre . Hookes lov bruges, hvorefter udvidelsen af ​​egnede fjedre er proportional med den udøvede kraft: Det gælder hvori ændringen i forårets længde og betegner fjederkonstanten . [16]

Loven om gearing kan også bruges. Det betyder, at en ukendt kraft kan bestemmes ved at sammenligne den med en kendt kraft, for eksempel vægten af ​​et stykke masse. I det enkleste tilfælde bruges en skala, hvis display er baseret på den kendte acceleration på grund af tyngdekraften kan omdannes til den effektive kraft.

Med atomkraftmikroskopet kan kræfter på et lille bladfjeder op til ca. 1 pN detekteres. Dette kan bruges til at undersøge overflader. [17] Tvinger op til ca. er blevet målt ved hjælp af individuelle ultrakolde magnesiumioner i Paul-fælder via synkronisering med et eksternt radiosignal. [18]

Kraft som vektormængde

Repræsentation af kræfter

Til beskrivelsen af ​​en kraft er ikke kun dens mængde (dvs. dens styrke ), men også indikationen af ​​den retning, i hvilken kraften virker, nødvendig. Sådanne størrelser, bestemt ved angivelse af den numeriske værdi, enhed og retning, kaldes vektormængder; de er angivet med pile over symbolet. I et tredimensionelt kartesisk koordinatsystem har en kraftvektor tre komponenter:

  • For eksempel om vægt at beskrive med et masselegeme tiltrækkes af jorden, et koordinatsystem med lodret -Aksen skal vælges:
Kroppen bliver (med tyngdekraftens acceleration ) accelererer nedad, derfor er z-komponenten negativ.

Kræfter kan grafisk illustreres med pile, der starter ved kraftens anvendelse og angiver kraftens retning. Pilens længde fra startpunktet til pilhovedet er en skala for mængden af ​​kraft.

Angrebspunkt og handlingslinje

Ud over mængden og retningen af kraften vektor, dens angrebspunkt bestemmer også kraft virkning. I tilfælde af stive kroppe kan kræfter forskydes langs deres handlingslinje uden at ændre deres virkning. F.eks. Virker rebkræfter altid i tovets retning (nemlig i trækretningen) og har samme effekt (med statiske systemer eller tilstrækkeligt langsomme processer) uanset hvor langt rebet er. I tilfælde af overflade- og volumenkræfter er handlingslinjen og dermed anvendelsesstedet ofte ikke indlysende. For eksempel, engagere sig i en flydende ballon blot sætte vægten af tyngdepunktet for løftekraften, dog i såkaldt tyngdekraft , hvorfor det her ikke falder sammen med de to kræfters handlingslinjer generelt . En oprettende øjeblik virker på ballonen, indtil dens tyngdepunkt er lodret under sit tyngdepunkt. Selv da har begge kræfter stadig forskellige anvendelsespunkter, men ligger på en handlingslinje, så de kan kompensere hinanden. Ballonernes stabile flyveposition er baseret på dette.

Superposition princip

Nedbrydning af vægtkraften i komponenterne (Downhill kraft) og (Modvirker normal kraft )

Mekanikens overlejringsprincip , der også omtales som " lex quarta " i Newtons værk, siger: flere kræfter virker på et punkt (eller et stift legeme ) , derefter tilføjes disse vektorielt til en resulterende kraft Det betyder, gør det samme som alle kræfter sammen.

  • Når to styrker angriber det samme angrebspunkt og er af samme størrelse, men rettet i modsatte retninger, er den resulterende kraft nul. Man taler derefter om en ligevægt af kræfter .
  • Sammensætning af kræfter (som angriber det samme punkt):
    To kræfter arbejder med beløbene og i samme retning lægger beløbene op til beløbet den samlede kraft, .
    To kræfter arbejder med beløbene og i den modsatte retning er resultatet beløbet den samlede kraft ved at den større mængde kraft reduceres med den mindre. Retningen af ​​den samlede kraft svarer til retningen for den enkelte kraft, der har den største mængde, .
    Hvis to kræfter virker i forskellige retninger, resulterer retningen og mængden af ​​det resulterende resultat grafisk gennem et parallelogram af kræfter . Kræfterne og tilføjes til et parallelogram, svarer parallelogramdiagonalet til den resulterende kraft. Den resulterende kraft af flere kræfter i forskellige retninger kan bestemmes grafisk med en kraftpolygon eller aritmetisk som summen af ​​vektorer.
  • Nedbrydning af kræfter:
    Mens vægten er i et vandret plan og den normale kraft kompensere, kan dette ikke ske i tilfælde af det skrå plan . Den normale kraft virker vinkelret på planet opad og er derfor ikke ligefrem i modsætning til vægtkraften. For at kunne specificere hvilken del af vægtkraften, der ikke kompenseres af den normale kraft og dermed fremskynder kroppen ned ad det skråplan som en nedadgående kraft , kan vægtkraften opdeles i to kræfter. Man peger hensigtsmæssigt i den modsatte retning af den normale kraft (og kompenseres af dette, ), den anden i flyets retning - dette repræsenterer nedadgående kraft om det kan fremskynde af kroppen kan beregnes.
    En sådan dekomponering er altid korrekt, hvis vektorsummen af ​​delkræfterne resulterer i den oprindelige kraft, så her må være er gyldige.

Styrkeenheder

Abhängig vom verwendeten Einheitensystem wird jeweils eine andere Maßeinheit für die Kraft verwendet. Statt solcher Einheiten wie Dyn , Kilopond , Pound-force oder Poundal wird im internationalen Einheitensystem (SI) das Newton [ ˈnjuːtn̩ ] verwendet. Das Newton wurde im Jahre 1946 durch die Generalkonferenz für Maß und Gewicht im heutigen Sinn festgelegt als abgeleitete Einheit der Basiseinheiten Kilogramm (kg), Meter (m) und Sekunde (s):

und 1948 von ihr nach Isaac Newton benannt. [19]

Krafteinheiten und Umrechnungsfaktoren
Newton Dyn Kilopond Pound-force Poundal
1 N ≡ 1 kg·m/s² = 10 5 dyn ≈ 0,102 kp ≈ 0,225 lb f ≈ 7,233 pdl
1 dyn = 10 −5 N ≡ 1 g·cm/s² = 1/980665 kp ≈ 1/444822 lb f ≈ 1/13825,5 pdl
1 kp = 9,80665 N = 980665 dyng N · 1 kg ≈ 2,205 lb f ≈ 70,932 pdl
1 lb f = 4,4482216152605 N ≈ 444822 dyn = 0,45359237 kpg N · 1 lb ≈ 32,174 pdl
1 pdl = 0,138254954376 N ≈ 13825,5 dyn ≈ 0,0141 kp ≈ 0,0311 lb f ≡ 1 lb· ft /s²

Kraft in der klassischen Mechanik

Kraft in den Newtonschen Gesetzen

Der newtonsche Kraftbegriff basiert auf folgendem Gedanken: Alle Einwirkungen auf einen Körper, die zu einer Änderung seines Bewegungszustands führen, sind Kräfte. Die Kraft beschreibt die Intensität und Richtung der Wechselwirkung zweier Körper, keine Eigenschaft eines Körpers. Bei einer kräftefreien Bewegung bzw. wenn ein Kräftegleichgewicht vorliegt, ändert sich folglich der Bewegungszustand eines Körpers 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 , die auf einen freien Körper ausgeübt wird, mit der Änderung seines Impulses : In jedem infinitesimal kurzen Zeitraum ändert sich der Impuls des Körpers um gemäß Der Impuls eines Körpers ist das Produkt seiner Masse und der Geschwindigkeit ; es gilt 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 , wobei für die Beschleunigung des Körpers steht. Die Kraft auf den betrachteten Körper entspricht also dem Produkt aus seiner Masse und seiner Beschleunigung.

Als Konsequenz der Impulserhaltung folgt zudem das Reaktionsprinzip , wonach stets mit einer Kraft (actio) vom Körper A auf Körper B, also , eine gleich große, aber genau entgegengesetzt gerichtete Kraft (reactio) von Körper B auf Körper A verbunden ist: 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 die Angriffspunkte von und sind verschieden, die beiden Kräfte können einander also nicht kompensieren.

In moderner Schreibweise würde die der newtonschen Intention entsprechende Fassung eher lauten. Die Verwendung des Wortes Kraft in Newtons Schriften ist nicht immer eindeutig. Kraft ist meist eher als Kraftstoß zu deuten, der einen Zusatzimpuls bewirkt. [20]

Kräftegleichgewicht als Schlüsselbegriff der Statik

Wenn an einem Körper mehrere Kräfte angreifen, die sich gegenseitig aufheben, dh, wenn für die Vektorsumme der Kräfte

gilt, dann spricht man vom Kräftegleichgewicht. Der betrachtete Körper ändert seinen Bewegungszustand nicht. Früher [21] wurde diese Tatsache „erster Hauptsatz der Statik starrer Körper “ genannt. Bei den Kräften handelt es sich sowohl um die eingeprägten Kräfte, die durch Wechselwirkung mit anderen Körpern in der Umgebung entstehen, als auch um die inneren Kräfte, die zwischen Teilen des Körpers aufscheinen. Speziell Zwangskräfte treten auf, wenn Teile des Körpers geometrischen Bindungen unterliegen, die beispielsweise durch Stütz- und Haltekräfte eine Beschleunigung des Körpers verhindern. 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 diese aus ihrer Umgebung frei geschnitten , indem alle ihre Wechselwirkungen mit der Umgebung durch Kräfte und Momente ersetzt werden. Bindungen zwischen den Körpern des Systems und zwischen dem System und seiner Umwelt, die nur geringe Formänderungen zulassen, werden als starre Bindungen idealisiert. Solche starren Bindungen sind in der Regel Gelenke zwischen den Körpern oder Lager . Die durch diese Bindungen bedingte mechanische Wechselwirkung der Körper wird durch Zwangskräfte ( Lagerreaktionen ) repräsentiert. Von ruhenden Starrkörpern ausgeübte Zwangskräfte verrichten am System keine Arbeit , da keine resultierende Bewegung stattfindet. Kräftesysteme können analytisch oder grafisch bearbeitet werden und erfüllen im Gleichgewicht das oben angeführte Kräftegleichgewicht sowie das Momentengleichgewicht , welches früher „zweiter Hauptsatz der Statik starrer Körper“ genannt wurde. [21]

Das Prinzip der virtuellen Arbeit besagt, dass in der Statik die Summe der virtuellen (angenommenen) Arbeiten aller Kräfte null ergeben muss, was der „dritte Hauptsatz der Statik starrer Körper“ ist. [21] Das d'Alembertsche Prinzip erweitert dieses Prinzip auf Systeme der klassischen Dynamik , die Zwangskräften unterworfen sind, und wird zum Aufstellen von Bewegungsgleichungen verwendet.

Festigkeitslehre und Baustatik

In der Baustatik und Festigkeitslehre kann die Kraft nicht immer vereinfacht als Punktlast (Einzellast) behandelt werden. Man berücksichtigt z. B. bei der Ermittlung der Durchbiegung eines an seinen Enden gelagerten Balkens das Eigengewicht als über dessen Länge (Strecke) verteilte Kraft, also als Streckenkraft bzw. Streckenlast . Würde man die Gewichtskraft als Punktlast im Balken-Schwerpunkt angreifen lassen, ergäbe sich eine deutlich zu große Durchbiegung. Beispiel für den allgemeineren Fall Flächenkraft bzw. Flächenlast ist die Verkehrslast einer zweispurigen Brücke. Bei ungleichmäßiger Auslastung der Spuren ist die Kraftverteilung auch über die Brückenbreite unterschiedlich. [22]

Volumenkräfte und Oberflächenkräfte

Vor allem in der technischen Mechanik unterscheidet man bei den äußeren Kraftgrößen zwischen Volumenkräften und Oberflächenkräften , die auf einen Körper wirken.

Unterschiede beim Freischneiden

Beim Schnittprinzip werden an der Schnittfläche Schnittkräfte frei.

Behandelt man ein komplexes Problem – wie die mechanischen Wechselwirkungen mehrerer Körper untereinander oder die mechanischen Wirkungen in miteinander verbundenen Körpern (z. B. starre oder deformierbare Körper) – so schneidet man ein relevantes Untersystem gedanklich von seiner Umgebung frei (Schnitt in Verbindungen oder in Körpern selbst). Nun ordnet man den einzelnen Stücken der Oberfläche des freigeschnittenen Teilsystems die Kräfte zu, mit denen an dieser Stelle das übrige System auf das Teilsystem einwirkt. Mit der entgegengesetzt gleichen Kraft wirkt dann auch das freigeschnittene Teilsystem auf das übrige System. Diese Kräfte heißen Oberflächenkräfte. Sie gehören zu den Kontaktkräften . In ihrer Stärke und Richtung sind sie abhängig von den vorher festgelegten Schnitten.

Volumenkräfte sind Nichtkontaktkräfte . Wie die Gravitationskraft oder der Magnetismus greifen sie am ganzen Volumen an, dh auch im Innern eines freigeschnittenen Körpers. Befindet sich beispielsweise ein homogener Klotz in einem homogenen Schwerefeld (näherungsweise ein kleiner Klotz nahe der Erdoberfläche), so wirkt die Volumenkraft auf ihn. Zerschneidet man diesen Klotz gedanklich in seiner Mitte, so wirkt dagegen auf jeden Teilklotz nur noch die Volumenkraft Bei der Ermittlung der Durchbiegung eines an seinen Enden gelagerten Balkens (so) wird dieser quer in differentiell kleine Stücke (mit je auf sie wirkendem differentiell kleinem Anteil an der gesamten Volumenkraft) zerschnitten.

Schweben unter Wasser und Schwerelosigkeit im All

Beim Tauchen lässt sich ähnlich wie im Weltall ein Gefühl der Schwerelosigkeit erleben, wenn der Taucher sein Gewicht mit Ausgleichsgewichten an die Dichte des Wassers angepasst hat. Auf den Taucher wirkt, auch unter Wasser, die Schwerkraft als Volumenkraft. Das der Schwerelosigkeit ähnliche Gefühl stellt sich unter Wasser durch den Auftrieb ein – der hydrostatische Druck , der als Oberflächenkraft auf die Unterseite des Körpers wirkt, ist höher als der auf die Oberseite des Körpers wirkende Druck. Da nur die Volumenkraft, nicht aber die Oberflächenkraft auf das Gleichgewichtsorgan wirkt, kann man auch unter Wasser oben von unten unterscheiden.

Die Schwerelosigkeit im All, wo der Astronaut ebenfalls ohne Gewicht ist, kann man betrachten als Zustand, bei dem außer der Gravitation keine weitere Kraft wirkt, insbesondere also auch nicht die sonst von einer Unterlage ausgeübte Stützkraft. In diesem Fall funktioniert das Gleichgewichtsorgan nicht (die Folge ist häufig die sogenannte Raumkrankheit ), der Raumfahrer kann sich bei geschlossenen Augen nicht orientieren.

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

Quadratische Abhängigkeit der Fallstrecke von der Fallzeit: Man sieht einen frei fallenden Ball im Licht von elf Stroboskopblitzen , die ihn im Abstand von je 0,05 Sekunden beleuchtet haben. Während der ersten 0,05 Sekunden durchfällt der Ball eine Längeneinheit (hier ungefähr 12 mm); innerhalb von 0,10 Sekunden vier Längeneinheiten; innerhalb von 0,15 Sekunden dann neun Längeneinheiten und so weiter, bis er nach 0,50 Sekunden hundert Längeneinheiten zurückgelegt hat.

Mit Hilfe der newtonschen Gesetze ist es möglich, aus einer gegebenen Ausgangssituation und den wirkenden Kräften die zeitliche Entwicklung eines physikalischen Systems vorherzusagen. 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 seiner ursprünglichen Form verworfen werden. [23]

Zusammenhang von Kraft und Arbeit

Durch das Wirken einer Kraft kann sich die Energie eines Körpers verändern. Ein Beispiel ist die Spannenergie beim Expander . Die beim Verschieben des Angriffspunktes einer Kraft um eine gewisse Wegstrecke übertragene Energie nennt man auch Arbeit und bezeichnet sie dann oft mit .

Will man eine bestimmte Arbeit mit geringerer Kraft leisten, so ist dies mit einem Kraftwandler möglich. Beispiele für Kraftwandler sind Flaschenzüge , Hebel oder Gangschaltungen . Jedoch verlängert sich der Weg, längs dem die Kraft ausgeübt werden muss. Wird beispielsweise durch Verwendung eines Kraftwandlers nur ein Viertel der ohne ihn erforderlichen Kraft benötigt, so ist dies mindestens mit einer Vervierfachung des Weges verbunden. Diese Konsequenz des Energieerhaltungssatzes ist in der Goldenen Regel der Mechanik beschrieben.

Wenn die Kraft konstant ist und in Richtung eines geradlinigen Weges der Länge wirkt, dann wird die aufzuwendende Arbeit durch die Beziehung

bestimmt. Falls die Kraft im Winkel schräg zur Strecke wirkt, lässt sich die Arbeit durch folgende Formel berechnen:

In obiger Gleichung ist der Vektor vom Startpunkt zum Endpunkt der Strecke. Insbesondere wird keine Arbeit geleistet, wenn die Kraft mit dem Weg einen rechten Winkel bildet: Das Tragen einer Last in der Ebene kann zwar mühsam sein, aber die Last nimmt dabei keine Energie auf.

Ganz allgemein ist die geleistete Arbeit das Kurvenintegral der Kraft entlang des zurückgelegten Wegs:

Dabei sind und die Ortsvektoren des Start- und des Endpunkts des Wegs.

Konservative und dissipative Kräfte

Wird der Expander, um beim obigen Beispiel zu bleiben, einseitig fixiert und das andere Ende im Raum bewegt, so ändern sich von Punkt zu Punkt systematisch Richtung und Betrag der Kraft. Sofern die Bewegungen langsam ausgeführt werden, sodass keine Schwingungen des Expanders angeregt werden, und unter Vernachlässigung innerer Reibung , ist die Kraft lediglich eine Funktion des Ortes (ein statisches Vektorfeld ). Dabei entspricht jedem Ort ein bestimmter Spannungszustand des Expanders. Es kommt nicht darauf an, auf welchem Weg der Ort und der zugehörige Spannungszustand erreicht wurde. In solchen Fällen spricht man von einer konservativen Kraft . Arbeit, die gegen eine konservative Kraft verrichtet wurde, ist vom Weg unabhängig, sie hängt nur vom Anfangs- und Endpunkt ab. Insbesondere erhält man verrichtete Arbeit zurück, wenn man – auf demselben oder einem anderen Weg – den Ausgangspunkt wieder erreicht.

Der Wert des Wegintegrals einer konservativen Kraft von einem festen Bezugspunkt aus heißt potentielle Energie , meist auch Potential, zur Unterscheidung siehe aber Potentiale und Potentialfelder im Hauptartikel. Oft ist es einfacher, von der potentiellen Energie ausgehend (in obigem Beispiel also von der im Expander gespeicherten Spannenergie) die Kraft als ihren negativen Gradienten

zu bestimmen, denn das Feld der potentiellen Energie ist nur ein Skalarfeld .

Dass an einem System geleistete Arbeit vollständig in potentielle Energie umgesetzt wird, ist in praktisch auftretenden Fällen nie erfüllt. Reibungskräfte müssen zusätzlich überwunden werden. Die gegen sie geleistete Arbeit wird in Wärme umgesetzt. Manchmal ist solche Dissipation erwünscht ( Fallschirm , Fitnessgeräte , Motorbremse ).

Kraft im Kraftfeld

Gegen den Expander im obigen Beispiel muss das schmächtige Kerlchen dieselbe Kraft aufwenden wie der Schwergewichtler. In der Disziplin Treppensteigen arbeiten beide gegen ihre jeweilige Gewichtskraft und in der Erdumlaufbahn würden beide einträchtig nebeneinander schweben. Bei der Beschreibung von Bewegungen in Kraftfeldern , wie hier dem Erdschwerefeld , ist es oft nützlich, von jener Eigenschaft des Körpers, zu der die Kraft proportional ist, zu abstrahieren. Diese Eigenschaft (hier die Masse des Sportlers) wird allgemein Ladung genannt. Die Abstraktion geschieht, indem das Vektorfeld der Kraft durch die Ladung geteilt wird. Das Resultat

wird Feldstärke genannt und beschreibt das Kraftfeld unabhängig von der Ladung des Probekörpers . Die Feldstärke g des Schwerefeldes wird auch Fallbeschleunigung genannt.

Das für konservative Kraftfelder existierende Skalarfeld der potentiellen Energie geteilt durch die Ladung ergibt das Potential des Kraftfeldes.

Zusammenhang von Kraft und Drehmoment

Das Drehmoment kann als Drehwirkung der Kraft aufgefasst werden. Es ist das Kreuzprodukt von Kraftarm und Kraft:

Dabei ist der Kraftarm 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 die Komponente der Kraft zum Drehmoment bei, die 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 Drehmomentengleichgewicht ein wichtiger Spezialfall.

Zusammenhang von Kraft und Druck

Wenn eine Kraft auf eine Fläche wirkt, so ist der dadurch erzeugte Druck der Betrag (die Vektorlänge) der auf dieser Fläche senkrechtstehenden Kraftkomponente pro Flächeninhalt :

Der Druck ist eine intensive Zustandsgröße thermodynamischer Systeme und zudem eine lineare Feldgröße . Dieses Konzept ist eine Vereinfachung des allgemeinen Spannungstensors .

Die Druckspannung ist im Gegensatz zum Druck keine skalare Zustandsgröße.

Trägheitskräfte bzw. Scheinkräfte

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 irreführend sein; 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. Ein geeigneter außenstehender Beobachter erklärt die Wirkungen einfach durch die Anwendung des Trägheitsprinzips ohne weitere Kräfte.

Ein anderer Zugang zum Begriff der Trägheitskraft ist mit dem d'Alembertschen Prinzip verbunden: Es wandelt – vereinfacht gesagt – das dynamische Problem des sich bewegenden Körpers durch die Einführung einer d'Alembertschen Trägheitskraft in ein statisches Problem um. Die technische Mechanik , in der das Prinzip sehr erfolgreich angewendet wird, spricht von einem dynamischen Gleichgewicht . Während manche Fachbücher diese d'Alembertsche Trägheitskraft als Gegenkraft im Sinne des Wechselwirkungsprinzips bezeichnen, [24] sehen andere Fachbuchautoren sie in Widerspruch zum Wechselwirkungsprinzip, da zu ihr keine Gegenkraft existiert. [25] [26] Die Bezeichnung Scheinkraft wird auch damit begründet, dass die Trägheitskraft der Definition von Newton, was unter einer wirkenden Kraft zu verstehen ist, [27] nicht genüge. [28]

  • Wenn ein Auto durch eine Kraft 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. Aus seiner Sicht wirkt nun eine nach vorn gerichtete Trägheitskraft, die ihn in Richtung der Windschutzscheibe befördert. Erst durch die Rückhaltesysteme ( Sicherheitsgurt und Airbag ) werden Zwangskräfte auf den Fahrer ausgeübt, die ihn ebenfalls verlangsamen.
  • Der Sitz eines Kettenkarussells würde sich ohne Kraftwirkung durch die Kette geradeaus fortbewegen, nur durch die zum Mittelpunkt der durchlaufenen Kreisbahn gerichtete 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 gegenüber der Lichtgeschwindigkeit nicht mehr vernachlässigbar sind. In der speziellen Relativitätstheorie muss der Impuls zum relativistischen Impuls verallgemeinert werden, die Kraft bleibt dann weiter aus berechenbar, aber der Impuls lässt sich nicht mehr durch die Beziehung berechnen. An die Stelle der newtonschen Beziehung Kraft = Masse mal Beschleunigung , , tritt die Gleichung

Die Kraft wird ferner zur Minkowskikraft (Viererkraft) erweitert, die meist als geschrieben wird und aus dem Viererimpuls berechnet werden kann über mit der Eigenzeit und dem Lorentzfaktor

Diese Gleichung, die Bewegungsgleichung der speziellen Relativitätstheorie für den Viererimpuls , beschreibt beschleunigte Bewegungen in einem Inertialsystem . Zwischen und besteht der Zusammenhang wobei der räumliche Teil der Viererkraft ist; der neu hinzukommende zeitliche Teil beschreibt eine Energieänderung, genauer: (siehe Viererimpuls ), sodass man auch vom Kraft-Leistung-Vierervektor spricht.

Die allgemeine Relativitätstheorie stellt eine Erweiterung der newtonschen Gravitationstheorie dar; sie enthält diese als Grenzfall für hinreichend kleine Massendichten und Geschwindigkeiten. Ihre Grundlagen wurden maßgeblich von Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts 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 nur mehr als geometrisches Problem behandelt. Materie, auf die eine Gravitationskraft ausgeübt wird, bewegt sich in der Raumzeit entlang einer Geodäte , also so, wie es im naiven Sinn mit geradeaus gemeint ist. Die Gerade als Modell für die Geradeausbewegung des freien Körpers gibt es nur in ungekrümmten (also gravitationsfreien) Räumen.

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. Das entspricht in etwa der Erfahrung beim Abbremsen eines nach unten fahrenden Fahrstuhls. 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 . [29]

Kraft in der Quantenmechanik

Bei der Wechselwirkung kleinster Teilchen liefern Experimente Ergebnisse, die der klassischen Mechanik widersprechen. Insbesondere sind bestimmte Größen quantisiert, das heißt, sie treten nur in bestimmten Portionen auf – den sogenannten Quanten . Während die Kraft selbst nicht quantisiert ist, können Kräfte eine Quantelung der möglichen Teilchenenergien bewirken.

In der Quantenmechanik werden in der Regel Kräfte nicht explizit betrachtet. Die von Kräften verursachten Phänomene werden – analog zur klassischen Mechanik – durch das Potential beschrieben.

Es gibt quantenmechanische Effekte, die sich wie eine Kraft bemerkbar machen, aber nicht auf eine der Grundkräfte zurückzuführen sind. Beispiele sind das Pauli-Prinzip und die Austauschwechselwirkung .

Kraft in den Quantenfeldtheorien

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 in anderen Vielteilchentheorien angewandt.

In der Quantenfeldtheorie werden alle Kräfte auf den Austausch von virtuellen Bosonen zurückgeführt, diese Wechselwirkungsteilchen zu jeder Grundkraft sind sozusagen einzelne Kraftteilchen oder auch Kraftträger .

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 sogenannte Standardmodell der Elementarteilchenphysik . Es enthält alle bekannten Teilchen und kann die meisten bekannten Vorgänge erklären. Im Standardmodell fungieren Eichbosonen als Kraftteilchen zur Vermittlung von Wechselwirkungen, die Gravitationskraft ist jedoch nicht enthalten. Auch hier werden solche Wechselwirkungsteilchen angenommen, genannt Gravitonen .

Vereinheitlichung der Grundkräfte

Kopplungskonstanten α als Funktion der Energie E ( s tarke, sch w ache, e lektro m agnetische Wechselwirkung, G ravitation)

In der heutigen Physik werden meist vier Grundkräfte bzw. Wechselwirkungen unterschieden. Sortiert nach zunehmender relativer Stärke – als Maß dafür dient üblicherweise die Kopplungskonstante – 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 infolge der Abkühlung in die einzelnen Kräfte aufspaltete.

Fundamentale Wechselwirkungen und ihre Beschreibungen
(Theorien in frühem Stadium der Entwicklung sind grau hinterlegt.)
Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitation
klassisch Elektrostatik Magnetostatik Newtonsches Gravitationsgesetz
Elektrodynamik Allgemeine Relativitätstheorie
quanten-
theoretisch
Quantenchromodynamik
( Standardmodell )
Quantenelektrodynamik Fermi-Theorie Quantengravitation (?)
Elektroschwache Wechselwirkung
( Standardmodell )
Große vereinheitlichte Theorie (?)
Weltformel („Theorie von Allem“) (?)

Auf diesem Weg gab es bereits Erfolge, zunächst bei der Zusammenfassung der elektrischen Wechselwirkung und der magnetischen Wechselwirkung zur elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Elektrodynamik von James Clerk Maxwell . Die Wechselwirkungen zwischen elektrischen und magnetischen Feldern lassen sich auf andere Weise auch relativistisch erklären.

Ebenso ist es bereits gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht zu beschreiben.

Statische Kraft und dynamische Kraft

In der Technischen Mechanik unterscheidet man zwischen statischen [30] und dynamischen (bzw. harmonischen [30] [31] ) Kräften. Statische Kräfte sind diejenigen, die zeitlich unverändert wirken, dynamische Kräfte sind zeitlich veränderliche Kräfte. Bei sehr langsamer zeitlicher Veränderung spricht man von quasistatischen Kräften.

In Biomechanik und Sportmedizin ist die statische Kraft diejenige Kraft, die ein Muskel oder eine Muskelgruppe willkürlich gegen einen fixierten Widerstand ausüben kann. [32] [33] Die dynamische Kraft „ist die willkürlich ausgeübte Bewegung einer Masse innerhalb eines programmierten Vorgangs“, [33] ein Beispiel ist die Schnellkraft .

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. Mechanik, Strahlung, Wärme. 5., verbesserte Auflage, definitive Edition. Oldenbourg, München / Wien 2007, ISBN 978-3-486-58444-8 (= The Feynman Lectures on Physics. Band 1).
  • 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 .
  • Max Jammer : Concepts of Force: A Study in the Foundations of Dynamics. Cambridge (Mass): Harvard UP, 1957 New York: Harper, 1962 New York: Dover, 1999. ISBN 0-486-40689-X .

Weblinks

Wikiquote: Kraft – Zitate
Wiktionary: Kraft – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise und Fußnoten

  1. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer ua: Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 1. Mechanik, Relativität, Wärme . 11. Auflage. de Gruyter, 1998, ISBN 978-3-11-012870-3 . , Abschnitt 4.1 Masse und Kraft.
  2. Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Mechanik . Walter de Gruyter GmbH & Co KG, Berlin/Boston 2015, ISBN 978-3-11-044460-5 , S.   133 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Günther Drosdowski, Paul Grebe: Das Herkunftswörterbuch. Die Etymologie der deutschen Sprache. Bd. 7 . Dudenverlag, Mannheim 1963, ISBN 978-3-411-00907-7 , S.   364 .
  4. 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 im lexikalischen Informationssystem abrufbar: dwds.de.
  5. 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 ).
  6. Moritz Rühlmann: Vorträge über die Geschichte der technischen Mechanik und theoretischen Maschinenlehre und der damit im Zusammenhang stehenden mathematischen Wissenschaften . Baumgärtner, Leipzig 1885. Nachdruck: Documenta technica, Reihe 1, Darstellungen zur Technikgeschichte, Verlag Olms, Hildesheim 1979.
  7. Hans Peter Sang: Geschichte der Physik . Klett, Stuttgart 1999, ISBN 3-12-770230-2 , S.   7 .
  8. Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik . Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X , S.   77 .
  9. Richard S. Westfall: Force in Newton's Physics: The Science of Dynamics in the Seventeenth Century . American Elsevier, New York 1971.
  10. a b Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik . Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X .
  11. Friedrich Albert Carl Gren: Grundriss der Naturlehre . 3. Auflage. Hemmerde & Schwetschke, Halle 1797. S. 1 ff: „§ 1: Natur heißt der Inbegriff der Kräfte eines Dinges. § 2: Kraft nennen wir jede Ursache der Veränderung des Zustands eines Dinges oder der Dinge. § 3:(…) Kraft ist, was Bewegung hervorbringt oder hemmt.“
  12. Gunter Lind: Physik im Lehrbuch 1700–1850 . Springer, Berlin 1992, ISBN 3-540-55138-7 .
  13. Erhard Scheibe: Die Philosophie der Physiker . 2. Auflage. CHBeck, München 2012, S.   22   ff .
  14. Hegel beklagt ( Enzyklopädie der philosophischen Wissenschaften im Grundrisse. § 270): „… die Überschwemmung der physischen Mechanik mit einer unsäglichen Metaphysik, die – gegen Erfahrung und Begriff – jene mathematischen Bestimmungen allein zu ihrer Quelle hat.“ Siehe auch: Enzyklopädie der philosophischen Wissenschaften im Grundrisse. § 137.
  15. Andreas Kleinert: Aufklärung durch Physik . In: Walter Schmitz/Carsten Zelle (Hrsg.): Innovation und Transfer . Eckard Richter, Dresden 2004, ISBN 3-933592-37-2 , S.   11–20 . Wenn Fernwirkungen möglich seien, so Euler, dann müsse man befürchten, Verdauungsprobleme von den Kräutern zu bekommen, die auf dem Saturn wachsen, auch ohne sie gegessen zu haben.
  16. 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.
  17. Christian Meier: Grenzflächenphysik. Kleinster Abschleppdienst der Welt. Auf: wissenschaft-online.de. 21. Februar 2008, abgerufen am 2. März 2015.
  18. S. Knünz, M. Herrmann, V. Batteiger, G. Saathoff, TW Hänsch, K. Vahala, Th. Udem: Injection locking of a trapped-ion phonon laser. In: Physical Review Letters. 105, 2010, 013004.
  19. International Bureau of Weights and Measures (Hrsg.): The international system of units . US Dept. of Commerce, National Bureau of Standards, 1977, ISBN 0-7456-4974-2 , S.   17 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  20. H. Schrecker: Der Weg zum physikalischen Kraftbegriff von Aristoteles bis Newton. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie. 36, Nr. 34, 1988. Gekürzte Fassung. ( Memento vom 20. Januar 2012 im Internet Archive ).
  21. a b c H. Egerer: Ingenieur-Mechanik . Lehrbuch der technischen Mechanik in vorwiegend graphischer Behandlung. Band   1 . Springer, Berlin, Heidelberg 1919, ISBN 978-3-662-32061-7 , S.   124 ( google.de [abgerufen am 3. Januar 2017]).
  22. Karl-Eugen Kurrer : The History of the Theory of Structures. Searching for Equilibrium . Berlin: Ernst & Sohn , S. 27ff, ISBN 978-3-433-03229-9
  23. Carl Hoefer: Causal Determinism. Artikel in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch).
  24. Hans J. Paus: Physik in Experimenten und Beispielen. S. 33, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  25. Dietmar Gross, Werner Hauger, Jarg Schrader, Wolfgang A. Wall: Technische Mechanik: Band 3: Kinetik . 10. Auflage. Gabler Wissenschaftsverlage, 2008, S.   191 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – „Wir schreiben nun F−ma=0 und fassen das negative Produkt aus der Masse m und der Beschleunigung a formal als eine Kraft auf, die wir […] D'alembertsche Trägheitskraft F T nennen: F T =−ma. Diese Kraft ist keine Kraft im Newtonschen Sinne, da zu ihr keine Gegenkraft existiert (sie verletzt das Axiom actio=reactio!); wir bezeichnen sie daher als Scheinkraft.“).
  26. Rolf Isermann : Mechatronische Systeme: Grundlagen . 2. Auflage. Gabler Wissenschaftsverlage, 2004, ISBN 3-540-32336-8 , S.   124 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  27. Bruno Assmann, Peter Selke: Technische Mechanik Band 3: Kinematik und Kinetik . 15. Auflage. Oldenbourg Verlag, 2010, ISBN 3-486-59751-5 , S.   246 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – „Newton hat als erster versucht, die Physik systematisch aufzubauen. An den Anfang seines (…) Hauptwerkes (…) stellt er vier Definitionen: (…) Definition 4: Eine wirkende Kraft ist das gegen einen Körper ausgeübte Bestreben, seinen Bewegungszustand zu ändern, entweder den der Ruhe oder den der gleichförmigen geradlinigen Bewegung.“).
  28. Bruno Assmann, Peter Selke: Technische Mechanik Band 3: Kinematik und Kinetik . 15. Auflage. Oldenbourg Verlag, 2010, ISBN 3-486-59751-5 , S.   246 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  29. Norbert Dragon: Geometrie der Relativitätstheorie. ( Memento vom 19. April 2009 im Internet Archive ) Vorlesungsskript (PDF; 2,4 MB), abgerufen am 15. Juli 2014.
  30. a b Jürgen Grabe, Klaus-Peter Mahutka: Finite-Elemente-Analyse zur Vibrationsrammung von Pfählen . In: Bautechnik . Band   82 , Nr.   9 . Wiley Online Library, 2005, S.   632–640 , doi : 10.1002/bate.200590192 .
  31. Markus Waltering, Danièle Waldmann, Stefan Maas, Arno Zürbes: Untersuchung nichtlinearer Schwingungseigenschaften zur zerstörungsfreien Zustandsprüfung am Beispiel von Stahlbetonbalken . In: Beton- und Stahlbetonbau . Band   102 , Nr.   9 . Wiley Online Library, 2007, S.   615–621 , doi : 10.1002/best.200700572 .
  32. Wildor Hollmann, Heiko K. Strüder: Sportmedizin. Grundlagen für körperliche Aktivität, Training und Präventivmedizin . 5. Auflage. Schattauer Verlag, 2009, ISBN 978-3-7945-2546-1 ( google.at ).
  33. a b Freerk T. Baumann: 6 Krafttraining mit Krebspatienten . In: Bewegungstherapie und Sport bei Krebs. Leitfaden für die Praxis; mit 22 Tabellen . Deutscher Ärzteverlag, 2008, ISBN 978-3-7691-0564-3 , S.   57   f . (274 S., eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).