Kräfte und Kraftsysteme

In der Mechanik wurde die Kraft als die Ursache der Beschleunigung eines Körpers definiert. Auf welche Art und Weise eine Kraft übertragen wird und welche Wirkung sie auf den betrachteten Körper hat, damit beschäftigt sich dieses Kapitel hauptsächlich. Wichtige Spezialfälle sind etwa die Federkraft, die Schwerkraft oder Reibungskräfte. Dabei wird die Einschränkung auf starre Körper aufgehoben und auch deformierbare Körper sowie Fluide betrachtet.

Hookesches Gesetz – Federkraft

Das Hooke’sche Gesetz ist ein Modell, das die elastische – also reversible –  Verformung von Festkörpern beschreibt. Dabei wird angenommen, dass die Verformung linear mit der einwirkenden Kraft zunimmt (linear-elastisches Verhalten). Die Federkraft wirkt der äußeren Kraft entgegen.

Die mathematische Beschreibung auf Grundlage des 2. Newton’schen Gesetzes führt zum wichtigen Modell des sogenannten harmonischen Oszillators.

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Druck und Auftrieb

Druck ist das Resultat einer Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Bislang wurde die räumliche Ausdehnung dieser Wirkung auf Punktkräfte beschränkt. Druck tritt dabei auch im Inneren von Festkörpern sowie in Flüssigkeiten und Gasen (Fluiden) auf. Er wirkt im Volumen nach allen Richtungen, ist daher als skalare Größe (im Gegensatz zur Kraft) definiert. Der Auftrieb wirkt der Gewichtskraft eines Körpers in einem Fluid entgegen, er lässt sich mit dem Archimedischen Prinzip beschreiben.

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Schwerkraft

In Anwesenheit eines Gravitationsfeldes wirkt auf jeden massebehafteten Körper die Schwerkraft. In der klassischen Physik wird die Gravitationskraft durch das Newton’sche Gravitationsgesetz als eine durch den leeren Raum wirkende Fernwirkungskraft beschrieben. Bei der Betrachtung ausgedehnter starrer Körper wird angenommen, dass die Gravitationskraft sowie Trägheitskräfte (insbesondere durch Rotation des Bezugssystems) im Schwerpunkt des Körpers angreifen.

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Reibungskräfte

Reibungskräfte treten an den Kontaktflächen zwischen Körpern oder Teilchen auf. Es wird zwischen äußerer und innerer Reibung unterschieden. Die äußere Reibung tritt zwischen Festkörpern auf und wird in Haftreibung und Gleitreibung unterteilt, die als Coulomb’sche Reibung bezeichnet werden. Die Reibungskraft erschwert die Bewegung der beiden Körper gegeneinander. Auch innerhalb eines Festkörpers oder in Fluiden können Reibungskräfte auftreten. Diese bewirken die Zähigkeit von Festkörpern beziehungsweise die Viskosität von Fluiden und werden als innere Reibung bezeichnet.

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Komplanare vs. räumliche Kräfte, Zentralkräfte

Hier wird näher auf die geometrische oder räumliche Ausrichtung der Kräfte eingegangen, die auf einen Körper oder ein System einwirken. Kräfte, deren Vektoren in einer ebene liegen, werden als komplanar bezeichnet.

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Kräfte-Gleichgewicht, Gleichgewichtsbedingungen

Insbesondere in der Statik spielt das Kräftegleichgewicht eine zentrale Rolle. Greifen an einem Körper mehrere Kräfte an, so verursachen diese jeweils eine Beschleunigung des Körpers. Ruht der Körper auch in Anwesenheit von äußeren Kräften, so heben sich die Wirkungen der einzelnen Kräfte auf – man spricht von einem Kräftegleichgewicht.

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