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Was ist eine Kraft?

Verformen, Richtung ändern, beschleunigen — drei Wirkungen, ein Begriff. Dazu Formelzeichen, Einheit und die Gleichung, die alles zusammenhält.

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Einstieg — Drei Dinge, die eine Kraft anrichten kann

Die Dynamik ist das Teilgebiet der Physik, in dem Kräfte und ihre Wirkungen untersucht werden.

Frage 1 · Woran erkennt man eine Kraft?Man kann eine Kraft nicht sehen und nicht anfassen. Man sieht immer nur, was sie anrichtet. Welche Wirkungen gibt es?
Frage 2 · Wie groß ist „ein Newton“?Meter und Kilogramm kann man sich vorstellen. Aber wie viel ist 1 N? Und warum steckt in dieser Einheit ein Kilogramm, ein Meter und eine Sekunde?

Woran erkennt man überhaupt, dass eine Kraft wirkt? Man sieht nie die Kraft, immer nur ihre Folgen — am Fußball auf dem Rasen gleich dreifach.

  • Eingedellt:Der Tritt verformt den Ball.
  • Losgeflogen:Aus der Ruhe heraus wird er beschleunigt.
  • Abgelenkt:Die Faust des Torwarts ändert seine Richtung.

Drei Beobachtungen, ein einziger Begriff dahinter.

Merke

Kraft Einstieg

Dynamik: Die Dynamik untersucht Kräfte und ihre Wirkungen.

Wirkungen: Man sieht eine Kraft nie selbst, nur ihre Folgen: Sie verformt einen Körper, beschleunigt ihn oder lenkt ihn ab.

Erklärung — Kraft — Definition, Formelzeichen, Einheit

In der Physik versteht man unter Kraft eine Einwirkung auf einen Körper, die ihn verformt, seine Richtung ändert oder ihn beschleunigt.

Merke

Die drei Kraftwirkungen:

Eine Kraft verformt einen Körper, ändert seine Richtung oder beschleunigt ihn.

Verformen: Der Körper wird gedehnt, gestaucht oder eingedellt.

Richtung ändern: Er bewegt sich danach anders herum als vorher.

Beschleunigen: Er wird schneller oder langsamer.

Definition: Eine Kraft ist eine Einwirkung auf einen Körper, die ihn verformt, seine Richtung ändert oder ihn beschleunigt.

Newton: 1 N ist die Kraft, die 1 kg in 1 s aus der Ruhe auf 1 m/s beschleunigt: \(1\,\mathrm{N} = 1\,\dfrac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}\). Newton ist keine Grundeinheit.

Vektor: Kraft und Beschleunigung sind vektoriell (Betrag und Richtung), die Masse ist skalar.

verformen F Richtung ändern F beschleunigen F
Merke

Formelzeichen und Einheit:

\( F \)  bzw.  \( \vec{F} \)   ·   \( [F] = 1\,\mathrm{N} \)

N: Newton, die Einheit der Kraft.

\( \vec{F} \): Pfeilschreibweise — gemeint ist dann nicht nur der Betrag, sondern auch die Richtung.

Merke

Grundgleichung der Mechanik:

\( F = m \cdot a \)

F: Kraft in Newton (N).

m: Masse in Kilogramm (kg).

a: Beschleunigung in m/s².

Warum 1 N = 1 kg·m/s² gilt

Ein Newton ist genau die Kraft, die einen ruhenden Körper so beschleunigt:

  • Masse:1 kg — der Körper ist vorher in Ruhe.
  • Dauer:1 Sekunde, gleichförmig beschleunigt.
  • Ergebnis:Er hat danach die Geschwindigkeit 1 m/s.

Genau das steckt in der Einheit:

\( F = m \cdot a \)Grundgleichung
\( [F] = [m] \cdot [a] = 1\,\mathrm{kg} \cdot 1\,\tfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} \)Einheiten einsetzen
\( 1\,\mathrm{N} = 1\,\dfrac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} \)Ergebnis
Newton ist keine Grundeinheit. Es ist aus Kilogramm, Meter und Sekunde abgeleitet — und lässt sich darum jederzeit zur Einheitenkontrolle zurückübersetzen.

Kraft ist eine vektorielle Größe

Es genügt nicht zu sagen, wie stark gezogen wird.

  • Richtung entscheidet:Zwei gleich starke Kräfte können sich aufheben oder verdoppeln — je nachdem, wohin sie zeigen.
  • Zwei Angaben:Eine Kraft hat eine eindeutige Größe und eine eindeutige Richtung.
  • Vektoriell:So heißen solche Größen; man schreibt sie mit Pfeil: \( \vec{F} \).
Kraft auf einen Blick
GrößeZeichenEinheitArt
Kraft\(F\) bzw. \(\vec{F}\)N = kg·m/s²vektoriell
Masse\(m\)kgskalar (nur Betrag)
Beschleunigung\(a\) bzw. \(\vec{a}\)m/s²vektoriell
✓ Frage 1 gelöstMan erkennt eine Kraft an ihrer Wirkung: verformen, Richtung ändern oder beschleunigen. Mindestens eine dieser drei Wirkungen tritt immer auf.
✓ Frage 2 gelöst1 N beschleunigt 1 kg in 1 s auf 1 m/s. Deshalb stehen in der Einheit genau diese drei Größen: \(1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}/\mathrm{s}^2\).
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Interaktiv — Das Kraftwirkungs-Labor

Drei Versuchsaufbauten zeigen unterschiedliche Wirkungen einer Kraft. Beobachte, welche der drei Wirkungen jeweils eintritt — und wie stark sie mit der Kraft wächst.

Drei Aufbauten, eine Kraft

F

Pfeiltasten verändern die Kraft in 5-Newton-Schritten.

Halte fest: In allen drei Aufbauten wirkt dieselbe physikalische Größe — nur die beobachtbare Folge ist eine andere. Und in allen drei Fällen gilt: keine Kraft, keine Änderung.

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Allgemeine Hinweise

Drei häufige Stolperstellen:

Kraft ist nicht Masse

Kraft ist nicht Masse. Kilogramm sagt, wie viel Materie ein Körper enthält, Newton sagt, wie stark auf ihn eingewirkt wird. In \(F = m \cdot a\) stehen beide nebeneinander.

Bewegung braucht keine Kraft

Bewegung allein heißt nicht Kraft. Eine Kraft ändert die Bewegung — wer mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fährt, braucht dafür keine resultierende Kraft.

Newton ist abgeleitet

Newton ist abgeleitet, keine Grundeinheit wie kg oder m: \(1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}/\mathrm{s}^2\). Damit lässt sich in jeder Rechnung prüfen, ob die Einheiten passen.

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