Kräfte und ihre Wirkung

Kräfte kann man nicht sehen, nur ihre Wirkungen. Und davon gibt es genau drei: Eine Kraft kann einen Körper verformen, ihn beschleunigen oder abbremsen, oder seine Bewegungsrichtung ändern. Wenn du eine Feder zusammendrückst, siehst du die Verformung. Wenn ein Ball nach dem Wurf immer schneller nach unten fällt, siehst du die Beschleunigung. Wenn ein Fußball beim Kopfball die Richtung wechselt, siehst du die Richtungsänderung.

Eine Kraft hat immer eine Größe und eine Richtung. Deshalb zeichnet man sie als Pfeil: Die Länge des Pfeils steht für den Betrag, die Pfeilspitze für die Richtung, der Anfangspunkt für den Angriffspunkt. Man nennt eine solche Größe mit Betrag und Richtung einen Vektor. Gemessen wird die Kraft in Newton (N), benannt nach Isaac Newton. Ein Newton ist ungefähr die Kraft, die du brauchst, um eine Tafel Schokolade von 100 g hochzuhalten.

Damit sich überhaupt etwas an der Bewegung eines Körpers ändert, muss eine Kraft wirken. Ohne Kraft bleibt ein ruhender Körper in Ruhe und ein bewegter Körper bewegt sich geradlinig mit gleicher Geschwindigkeit weiter. Das nennt man das Trägheitsgesetz, das erste Newtonsche Gesetz. Ein Ball auf einem reibungsfreien Eis würde ewig weiterrollen, wenn ihn keine Kraft bremst.

Der häufigste Fehler an dieser Stelle ist, Masse und Gewichtskraft zu verwechseln. Die Masse m ist eine Eigenschaft des Körpers selbst und wird in Kilogramm angegeben. Sie ändert sich nicht, egal wo du bist – ob auf der Erde, auf dem Mond oder im Weltall. Die Gewichtskraft F ist dagegen die Kraft, mit der ein Himmelskörper an dieser Masse zieht, und wird in Newton angegeben.

Auf dem Mond hat ein Astronaut dieselbe Masse wie auf der Erde, aber nur etwa ein Sechstel der Gewichtskraft, weil der Ortsfaktor dort viel kleiner ist. „Ich wiege 60 kg“ ist deshalb umgangssprachlich, physikalisch korrekt wäre eine Masse von 60 kg und eine Gewichtskraft von etwa 600 N. In Klassenarbeiten wird genau diese Verwechslung häufig abgefragt, deshalb lohnt es sich, die beiden Größen sauber zu trennen.

Ein zweiter Fehler ist das Vergessen der Einheit oder das Vertauschen von kg und N in der Formel. Rechne immer erst die Einheiten durch: kg mal m/s² – oder kg mal N/kg bei der Gewichtskraft – muss am Ende Newton ergeben. Steht in der Aufgabe eine Masse in Gramm, musst du sie vor dem Einsetzen in Kilogramm umrechnen, sonst wird das Ergebnis um den Faktor 1000 falsch.

Kräfte begegnen dir ständig, auch wenn du selten darüber nachdenkst. Wenn du ein liegen gebliebenes Auto anschiebst, wirkst du mit deiner Muskelkraft gegen die Trägheit des schweren Fahrzeugs – deshalb braucht es am Anfang, wenn das Auto noch steht, deutlich mehr Kraft als später, wenn es schon rollt. Beim Bremsen mit dem Fahrrad wirkt die Reibungskraft zwischen Bremsbelag und Felge, die deine Bewegungsenergie abbaut und dich zum Stehen bringt.

Der Sicherheitsgurt im Auto nutzt genau das Trägheitsgesetz: Bei einer plötzlichen Vollbremsung will dein Körper wegen seiner Trägheit einfach weiter geradeaus nach vorn fliegen, während das Auto schon abbremst. Der Gurt übt dann eine Kraft auf dich aus, die dich zusammen mit dem Auto abbremst, statt dich gegen die Windschutzscheibe fliegen zu lassen. Ohne diese Rückhaltekraft würde dein Körper seine Bewegung einfach fortsetzen.

Auch ein Raketenstart lässt sich mit F = m · a erklären: Die Triebwerke stoßen mit großer Kraft heiße Gase nach unten aus, und nach dem Prinzip actio gleich reactio wirkt eine gleich große Gegenkraft auf die Rakete nach oben. Je größer diese Schubkraft im Verhältnis zur Masse der Rakete ist, desto größer wird die Beschleunigung – deshalb werden leere Tankstufen während des Fluges abgeworfen, um die Masse zu verringern.