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Kraft berechnen mit F = m · a

Die Beschleunigung steht meist nicht in der Aufgabe. Wie man sie über die Bewegungsformeln herausholt — und dann die Kraft ausrechnet.

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Einstieg — Die Kraft steht in der Formel, die Beschleunigung nicht in der Aufgabe

Mit \( F = m \cdot a \) lässt sich jede Kraft ausrechnen — nur steht in den Aufgaben meistens gar keine Beschleunigung.

Frage 1 · Wann darf ich mit \(a\) rechnen?Eine Beschleunigung tritt nur bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung auf. Woran erkennt man diesen Fall — und was gilt, wenn er nicht vorliegt?
Frage 2 · Woher bekomme ich \(a\)?Gegeben sind Masse, Zeit und Endgeschwindigkeit. Gesucht ist die Kraft. In \(F = m \cdot a\) fehlt genau ein Stück. Welche Formel liefert es?

Das Bild dazu: Eine U-Bahn steht im Tunnel und fährt an.

  • Beobachtung:Nach acht Sekunden ist sie 36 km/h schnell — wie stark müssen die Motoren drücken?
  • Gegeben:Eine Masse, eine Zeit und eine Geschwindigkeit — in anderen Aufgaben auch eine Strecke.
  • Es fehlt:Die Beschleunigung; die muss man sich erst besorgen.
  • Ziel:Genau diese Lücke schließt dieses Kapitel.
Merke

Kraft berechnen Einstieg

Problem: Mit \(F = m\cdot a\) lässt sich jede Kraft berechnen, aber in Aufgaben steht meist keine Beschleunigung.

Lösung: Die Beschleunigung muss man sich erst aus der Bewegung besorgen.

Erklärung — Von der Bewegung zur Kraft

Die Grundgleichung \( F = m \cdot a \) verbindet drei Größen: Masse und Kraft stehen fast immer direkt in der Aufgabe, die Beschleunigung kommt aus der Kinematik.

Merke

Drei Kernaussagen:

\( F = m \cdot a \)

Kraft: Sie ist das Produkt aus Masse und Beschleunigung.

Bedingung: Mit einem festen Wert \(a\) darf man nur bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung rechnen.

Herkunft von \(a\): Aus der Kinematik — aus \( v = a \cdot t \) oder aus \( s = \tfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2 \).

Bedingung: Mit einem festen \(a\) darf man nur bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung rechnen. Bei konstanter Fahrt gilt \(a = 0\), also auch \(F = 0\).

Beschleunigung: Aus \(v = a\cdot t\) folgt \(a = \dfrac{v}{t}\), aus \(s = \tfrac{1}{2}\,a\,t^2\) folgt \(a = \dfrac{2s}{t^2}\).

Dreischritt: Gegeben und gesucht notieren (Einheiten in kg, m, s), Beschleunigung berechnen, dann \(F = m\cdot a\) rechnen.

Kraft beschleunigt die Masse m F gleichmäßig beschleunigt im v-t-Diagramm v t v = a · t t Steigung: a
Merke

Grundgleichung der Mechanik:

\( F = m \cdot a \)

F: Kraft in Newton (N).

m: Masse in Kilogramm (kg).

a: Beschleunigung in m/s².

Merke

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung:

\( v = a \cdot t \)   ·   \( s = \tfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2 \)

Beide Formeln kommen aus der Kinematik und sind oft nötig, um zuerst die Beschleunigung zu berechnen.

Beschleunigung gibt es nur bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung

Nicht jede Bewegung hat eine Beschleunigung, mit der man rechnen darf.

  • Konstante Fahrt:Der Körper wird nicht beschleunigt — \( a = 0 \), und damit ist auch die beschleunigende Kraft null.
  • Änderung nötig:Erst wenn sich die Geschwindigkeit ändert, gibt es eine Beschleunigung.
  • Gleichmäßig:In diesem Kapitel behält \(a\) während der ganzen Bewegung denselben Wert.
  • Nur dann gilt:\( v = a \cdot t \) und \( s = \tfrac{1}{2} a t^2 \) — und nur dann liefert \( F = m \cdot a \) eine einzige, feste Kraft.
Merksatz. Die Beschleunigung steht fast nie direkt in der Aufgabe. Man holt sie sich über \( v = a \cdot t \) oder über \( s = \tfrac{1}{2} a t^2 \).

Der Dreischritt: gegeben → Beschleunigung → Kraft

1Gegeben und gesucht notieren, alle Einheiten in kg, m und s umrechnen.
2Beschleunigung besorgen — aus \(v = a\cdot t\) oder aus \(s = \tfrac{1}{2}at^2\).
3Kraft berechnen mit \(F = m \cdot a\) und Antwortsatz schreiben.

Schritt 2 im Detail: die beiden Umstellungen

Beide Bewegungsformeln lassen sich nach \(a\) umstellen — welche man braucht, hängt davon ab, ob in der Aufgabe eine Geschwindigkeit oder eine Strecke steht.

\( v = a \cdot t \)gegeben: \(v\), \(t\)
\( a = \dfrac{v}{t} \)\(\div\, t\)
\( s = \tfrac{1}{2} \cdot a \cdot t^2 \)gegeben: \(s\), \(t\)
\( a = \dfrac{2s}{t^2} \)\(\cdot\, 2\), \(\div\, t^2\)
Welche Formel wann?
GesuchtIn der Aufgabe stehtFormelNach \(a\) umgestellt
Kraft \(F\)\(m\) und \(a\)\( F = m \cdot a \)—
Beschleunigung \(a\)\(v\) und \(t\)\( v = a \cdot t \)\( a = \dfrac{v}{t} \)
Beschleunigung \(a\)\(s\) und \(t\)\( s = \tfrac{1}{2} a t^2 \)\( a = \dfrac{2s}{t^2} \)
Beschleunigung \(a\)\(F\) und \(m\)\( F = m \cdot a \)\( a = \dfrac{F}{m} \)
✓ Frage 1 gelöstMit einem festen Wert \(a\) darf man nur bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung rechnen. Bleibt die Geschwindigkeit konstant, ist \(a = 0\) — und damit auch die beschleunigende Kraft.
✓ Frage 2 gelöstDie Beschleunigung kommt aus der Kinematik: \( a = \frac{v}{t} \) aus \( v = a\cdot t \), oder \( a = \frac{2s}{t^2} \) aus \( s = \frac{1}{2}at^2 \). Erst danach setzt man in \( F = m\cdot a \) ein.
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Interaktiv — Die Beschleunigungs-Werkbank

Stelle Masse, Kraft und Zeit ein. Die Werkbank rechnet den kompletten Weg mit — erst \( a = \frac{F}{m} \), daraus \( v = a \cdot t \), daraus \( s = \frac{1}{2} a t^2 \). Der Wagen fährt genau die Strecke, die dabei herauskommt.

Kraft berechnen

Start 0 100 m Streckenmaßstab

Halte fest: Beide Maßstäbe passen sich an: Die Skala unter der Strecke sagt, wie viele Meter die volle Breite bedeutet, und der grüne Geschwindigkeitspfeil trägt seinen Wert als Zahl. Bei \( m = 200\,\mathrm{t} \), \( F = 250\,\mathrm{kN} \) und \( t = 8\,\mathrm{s} \) liefert die Werkbank \( a = 1{,}25\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^2 \).

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Allgemeine Hinweise

Drei häufige Stolperstellen:

a aus der Bewegung holen

Ohne angegebene Beschleunigung geht es trotzdem. Sie steckt in Zeit und Geschwindigkeit (\( a = \frac{v}{t} \)) oder in Zeit und Strecke (\( a = \frac{2s}{t^2} \)) — erst wenn \(a\) berechnet ist, folgt \( F = m \cdot a \).

Nur bei gleichmäßiger Beschleunigung

\( v = a \cdot t \) und \( s = \frac{1}{2}at^2 \) gelten nicht immer, sondern nur bei gleichmäßig beschleunigter Bewegung aus dem Stand. Bei konstanter Geschwindigkeit ist \(a = 0\), und \( s = \frac{1}{2}at^2 \) liefert den falschen Wert null.

Erst umrechnen, dann einsetzen

Erst umrechnen, dann einsetzen: In \( F = m \cdot a \) gehören kg, m und s hinein, also \( 36\,\mathrm{km/h} = 10\,\mathrm{m/s} \) und \( 200\,\mathrm{t} = 200\,000\,\mathrm{kg} \). Wer die Tonnen stehen lässt, rechnet um den Faktor 1000 daneben.

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