Kräfte und Gleichgewicht
Eine Kraft ist ein Schieben oder ein Ziehen, gemessen in Newton. Heben sich alle Kräfte auf einen Gegenstand gegenseitig auf, herrscht Gleichgewicht und die Bewegung ändert sich nicht.
Du kannst hier direkt anfangen: kein Vorwissen nötig.
Warum
Warum bewegt sich das Seil beim Tauziehen manchmal keinen Zentimeter, obwohl beide Mannschaften aus Leibeskräften ziehen?
Auf der Kirmes oder beim Schulfest ziehen zwei Mannschaften an einem Seil. Alle schwitzen und stemmen sich dagegen, und trotzdem bleibt das rote Tuch in der Mitte hängen. Es wird kräftig gezogen, aber nichts passiert.
Das liegt daran, dass die beiden Kräfte gleich groß sind und in entgegengesetzte Richtungen wirken. Sie heben sich gegenseitig auf. Erst wenn eine Mannschaft stärker zieht, rutscht das Seil zu ihrer Seite. So lernst du, dass nicht eine einzelne Kraft zählt, sondern alle Kräfte zusammen.
Sieh es
Zwei Mannschaften ziehen an einer Kiste. Stelle mit den Schiebereglern ein, wie stark jede Mannschaft zieht. Schau dir die Pfeile an, den Pfeil der resultierenden Kraft und ob sich die Kiste bewegt.
Die Kiste beschleunigt nach rechts
Beschreibung des Bildes
Eine Kiste in der Mitte, links und rechts je eine Mannschaft, die daran zieht. Jede Kraft ist ein Pfeil: Je größer die Kraft, desto länger der Pfeil. Unter der Kiste steht die resultierende Kraft als ein einziger Pfeil, mit ihrem Betrag in Newton. Sind beide Kräfte gleich groß, gibt es keinen resultierenden Pfeil und die Kiste bleibt stehen. Sonst rutscht die Kiste zur Seite der größeren Kraft.
Versteh es
Eine Kraft ist ein Schieben oder ein Ziehen. Wenn du einen Wagen schiebst, eine Tür aufziehst oder einen Ball wegkickst, übst du eine Kraft aus. Eine Kraft kann etwas in Bewegung setzen, abbremsen, seine Richtung ändern oder es verformen, wie einen Ball, den du zusammendrückst.
Wir messen Kräfte in Newton, kurz N. Ein kleiner Apfel von 100 Gramm zieht mit etwa 1 N an deiner Hand. Kräfte misst du mit einem Kraftmesser: einer Feder, die sich umso weiter dehnt, je stärker du ziehst.
Eine Kraft hat einen Betrag und eine Richtung. Deshalb zeichnen wir sie als Pfeil. Die Länge des Pfeils zeigt, wie groß die Kraft ist, die Spitze zeigt die Richtung. Wirken mehrere Kräfte auf denselben Gegenstand, fasst du sie zu einer resultierenden Kraft zusammen. Zeigen sie in dieselbe Richtung, addierst du. Wirken sie gegeneinander, subtrahierst du, und die resultierende Kraft zeigt zur Seite der größeren.
Ist die resultierende Kraft null, sind die Kräfte im Gleichgewicht. Ein Gegenstand, der stillsteht, bleibt dann stehen. Ein Gegenstand, der sich bewegt, bewegt sich gleich schnell geradeaus weiter. Das ist das erste newtonsche Gesetz, auch Trägheitsgesetz genannt. Nur eine resultierende Kraft ändert die Bewegung.
Dass ein gekickter Ball auf dem Rasen trotzdem liegen bleibt, liegt an der Reibung. Reibung ist eine Kraft zwischen zwei Oberflächen, die gegen die Bewegung wirkt. Auf einer rauen Oberfläche ist sie groß, auf Eis oder auf Rollen klein. Ohne Reibung könntest du nicht einmal gehen, denn deine Schuhe würden wegrutschen.
Kräfte in dieselbe Richtung addierst du, entgegengesetzte Kräfte subtrahierst du. Ist die resultierende Kraft 0 N, herrscht Gleichgewicht und die Bewegung ändert sich nicht.
Gelöstes Beispiel
Mannschaft A zieht eine Kiste mit 350 N nach links. Mannschaft B zieht mit 200 N und ein Helfer mit 100 N nach rechts. Wie groß ist die resultierende Kraft und in welche Richtung rutscht die Kiste?
Addiere die Kräfte nach rechts.
200+
100= 300 Links wird mit 350 N gezogen, rechts mit 300 N. Sie wirken gegeneinander, also subtrahierst du.
350−
300= 50 Die größere Kraft zeigt nach links, also auch die resultierende Kraft.
- Antwort
Die resultierende Kraft beträgt 50 N nach links. Die Kiste rutscht nach links.
Mach es
Wähl eine Stufe. Du bekommst jedes Mal eine neue Aufgabe, die sofort kontrolliert wird.
Fehlvorstellungen
Falsch: Wenn sich etwas bewegt, muss immer eine Kraft in Bewegungsrichtung darauf wirken.
Ein Eishockeypuck gleitet nach dem Schlag noch lange weiter, ohne dass jemand schiebt. Er wird nur durch die geringe Reibung langsamer.
Richtig: Ohne resultierende Kraft bewegt sich ein Gegenstand, der in Bewegung ist, gleich schnell geradeaus weiter. Eine Kraft braucht man, um die Bewegung zu ändern, nicht um sie aufrechtzuerhalten.
Falsch: Wenn etwas stillsteht, wirken keine Kräfte darauf.
Ein Buch auf dem Tisch wird von der Schwerkraft nach unten gezogen und gleichzeitig vom Tisch nach oben gedrückt.
Richtig: Es wirken sehr wohl Kräfte, aber sie sind im Gleichgewicht: Die resultierende Kraft ist null.
Falsch: Zwei Kräfte von 40 N und 30 N ergeben zusammen immer 70 N.
Das stimmt nur, wenn sie in dieselbe Richtung zeigen. Ziehen sie gegeneinander, bleiben nur 10 N übrig.
Richtig: Achte immer auf die Richtung: addieren bei gleicher Richtung, subtrahieren bei entgegengesetzter Richtung.
Falsch: Reibung ist immer lästig und nutzlos.
Ohne Reibung würden deine Fahrradbremsen nicht funktionieren, Reifen würden auf der Straße durchrutschen und du könntest nicht gehen.
Richtig: Reibung wirkt gegen die Bewegung. Manchmal willst du sie klein, wie bei einem Schlittschuh, manchmal groß, wie beim Bremsen.
Versuch für zu Hause
Ein Gummiband als Kraftmesser
Was du brauchst
- ein kräftiges Gummiband
- ein dickes Buch
- ein Stück Schnur oder ein Band
- ein Lineal
- vier oder fünf runde Bleistifte
So geht's
- Binde die Schnur um das Buch und befestige das Gummiband am Ende der Schnur.
- Lege das Buch auf den Tisch und ziehe ganz langsam am Gummiband, bis das Buch gerade anfängt zu rutschen.
- Miss mit dem Lineal, wie lang das Gummiband in diesem Moment ist. Ein längeres Gummiband bedeutet eine größere Kraft.
- Lege jetzt die Bleistifte nebeneinander unter das Buch, sodass es darauf rollen kann.
- Ziehe wieder langsam und miss, wie lang das Gummiband jetzt ist, wenn sich das Buch in Bewegung setzt.
Sicher: Ziehe ruhig am Gummiband und halte es von deinem Gesicht und deinen Augen fern, denn ein Gummiband kann losschnellen. Arbeite auf einem Tisch, von dem das Buch nicht herunterfallen kann.
Was siehst du, und warum?
Auf dem Tisch dehnt sich das Gummiband viel weiter als auf den Bleistiften. Zwischen dem Buch und dem Tisch gibt es viel Reibung. Auf rollenden Bleistiften gibt es viel weniger Reibung, also braucht man eine kleinere Kraft.
Im Alltag
- An einem glatten Wintertag streut die Gemeinde Salz und Sand auf den Gehweg. Der Sand macht die Reibung größer, sodass du weniger schnell ausrutschst.
- Wenn ein Bus plötzlich bremst, rutschst du nach vorn. Dein Körper will nach dem Trägheitsgesetz einfach weiter geradeaus fahren.
- Ein Weihnachtsbaum in einem Ständer bleibt aufrecht stehen, weil die Kräfte auf ihn im Gleichgewicht sind. Ein Windstoß kann dieses Gleichgewicht stören.
- Im Supermarkt kommt ein voller Einkaufswagen schwerer in Gang als ein leerer. Du brauchst eine größere Kraft, um seine Bewegung zu ändern.
Geschichte
Im Jahr 1687 schrieb der englische Gelehrte Isaac Newton sein Buch über die Gesetze der Bewegung. Das erste Gesetz sagt, dass ein Gegenstand stehen bleibt oder sich geradlinig weiterbewegt, solange keine resultierende Kraft auf ihn wirkt. Ihm zu Ehren heißt die Einheit der Kraft Newton.
Am Tisch
Warum musst du kräftiger schieben, um einen vollen Wagen in Bewegung zu bringen, als um ihn danach rollen zu lassen?
Eine Frage zum gemeinsamen Gespräch, für Eltern und Kinder. Es gibt keine falsche Antwort.