Arbeitsblatt: Kräfte Einführung

KRÄFTE 1 MASSEN SIND TRÄGE „Klar, sagt der Physiker, „die Bowlingkugel hat ja auch viel mehr Masse als der Fussball und ist deshalb auch viel träger. Masse ist ein Ausdruck, den wir brauchen, um zu beschreiben, wieviel Trägheit etwas hat. Die Masse eines Gegenstandes stellen wir mit der Waage durch Vergleichen mit genormten Massen fest. Gebräuchliche Einheiten sind: Ein ruhender Körper lässt sich nicht gern bewegen. Ein bewegter Körper lässt sich nicht gern abbremsen oder aus seiner Bahn ablenken. Die Trägheit, ist um so grösser, je grösser die Masse des Körpers ist. Fragen zur Trägheit 1. Warum fallen die Insassen eines Autos, das plötzlich bremst, nach vorn? 2. Warum lässt sich ein loser Hammer durch Schlagen auf den Stiel wieder behelfsmässig befestigen? 3. Warum fallen wir zur Seite, wenn der Zug über eine Weiche fährt? Oder nach hinten, wenn der Zug plötzlich losfährt? KRÄFTE 2 WER ARBEITET, BRAUCHT KRAFT Ein Schüler genügt, um einen Velofahrer auf einem Velo ganz ordentlich zu beschleunigen. Es braucht mehrere Schüler, um einem Auto eine ähnliche Beschleunigung zu erteilen. Um eine bestimmte Masse zu beschleunigen, brauchen wir Kraft. Je grösser die Kraft und je kleiner die Masse, desto grösser die Beschleunigung. Formel in Worten Formel mit Symbolen Einheiten Als Vereinfachung hat man eine neue Einheit für die Kraft eingeführt, nämlich das Newton (sprich: „Niuten, mit der Betonung auf u). Abkürzung: Isaac Newton war ein genialer Physiker, der von 1642 bis 1727 in England lebte. Auf seinem Grabstein steht: Sterbliche, gratuliert Euch, dass ein so grosser Mann für die Ehre der Menschheit lebte. Zu seinen Ehren hat man die Abkürzung gewählt. Ortsfaktor Wir haben im Kapitel „Beschleunigung die Erdbeschleunigung kennen gelernt. Für die Gewichtskraft gilt also ebenfalls: Umgekehrt kann man auch als Umrechnungsfaktor zwischen der Gewichtskraft Fg (Newton) und der Masse (Kilogramm) formulieren: Ortsfaktor Gewichtskraft Masse Jeder Planet hat je nach seiner Planetenmasse einen anderen Ortsfaktor. Für die Erde ist der Ortsfaktor KRÄFTE KRÄFTE BENENNEN Wir suchen Kräfte und benennen sie 3 KRÄFTE 4 GEWICHT UND MASSE SIND NICHT DASSELBE Wir vergleichen Gewicht und Masse Die Erde zieht alle Gegenstände an. An der Erdoberfläche zieht sie an 1 Kilogramm Masse mit einer Kraft von 9,81 N. Wir rechnen jedoch vereinfacht mit 10 N. Die Masse wird häufig mit dem Gewicht verwechselt. Gewicht und Masse sind aber verschieden! Stellen wir uns vor, ein Astronaut habe die Kegelkugel mit in ein Raumlaboratorium genommen. Dort hat sie kein Gewicht mehr, sie ist schwerelos. Der Astronaut kann sie vor seinem Gesicht „in die Luft hängen. Masse hat die Kugel aber immer noch. Und das kann der Astronaut auch leicht feststellen. Wenn er nämlich die Kugel ergreift und versucht, sie zu schütteln, dann muss er sich immer noch anstrengen, damit ihm das gelingt. Daran erkennt er, dass die Kugel eine relativ grosse Masse hat: Die Kugel ist immer noch sehr träge. Jeder Gegenstand hat auch im schwerelosen Zustand noch Masse. Eine Tafel Schokolade, die der Astronaut mitgenommen hat, ist zwar gewichtslos, aber sie kann ihn immer noch sättigen. Wo liegen die Unterschiede Unser täglicher Sprachgebrauch stimmt nicht mit der physikalischen Ausdrucksweise überein. Im Alltag sagen wir: In der Physik würde das heissen: „Ich habe Übergewicht. Ich bin 95 Kilo schwer. „Ich habe eine Masse von 95 kg. ODER „Ich bin 950 schwer, ich habe ein Gewicht von 950 N. KRÄFTE 5 GEWICHT UND MASSE SIND NICHT DASSELBE Die Masse ist unabhängig vom Ort, an dem sie sich befindet. Massen misst man mit Waagen durch Vergleich. Kräfte werden mit Federwaagen gemessen. Balkenwaagen zeigen überall richtige Massen an. Federwaagen zeigen überall die richtige Kraft an. Das Gewicht eines Körpers ist abhängig vom Ort, an dem sich der Körper befindet. (auf der Erde, in der Mondfähre, auf dem Mond usw.) Alle Körper werden von der Erde angezogen. Es wirkt eine anziehende Kraft (die Gewichtskraft) auf den Gegenstand. Je mehr Masse ein Gegenstand hat, desto stärker wird er angezogen, wir würden sagen „der Gegenstand ist schwer. Eine Waage misst nicht die Masse, sondern die Gewichtskraft. Die Schwerkraft wirkt zum Zentrum des Himmelskörpers. falsch richtig Die Schwerkraft ist nicht auf allen Himmelskörpern gleich (Ortsfaktor). KRÄFTE 6 VOM ZUSAMMENSPIEL DER KRÄFTE Die Kraft besteht aus drei Bestandteilen Angriffspunkt der Kraft Wenn du jemanden aus dem Wasser ziehst, dann ist es nicht egal, ob du ihn am Haarschopf oder an der Nasenspitze packst. Richtung der Kraft Einem Ertrinkenden kannst du nur helfen, wenn die rettende Kraft nach oben wirkt. Drückst du mit der gleichen Kraft nach unten Grösse der Kraft Den Ertrinkenden musst du mit einer Kraft herausziehen, die grösser ist als die Gewichtskraft. Zeichnerisch kann man alle drei Bestandteile der Kraft mit einem Pfeil darstellen. Wenn mehrere Kräfte zusammenwirken, können sie sich dabei gegenseitig unterstützen oder aufheben. Einige Beispiele sollen das zeigen. Kräfte zusammensetzen und zerlegen Die Kräfte, welche von den Personen auf den Kessel wirken, heissen Komponenten, die Gesamtkraft, die den Kessel hält, heisst resultierende Kraft. Mit einem Parallelogramm kann man die Resultierende konstruieren. Falls wir alle Komponenten im gleichen Massstab zeichnen, können wir auch die Grösse der Resultierenden aus der Zeichnung herauslesen. Hier haben wir zwei Kräfte zusammengesetzt. Wir können aber auch eine Kraft zerlegen, wie das nächste Beispiel zeigt. Jemand zieht eine Jemandin auf einem Schlitten. Spielt es eine Rolle wie lange die Leine ist? In beiden Fällen wurde die gleiche Grösse der Zugkraft (Diagonale) angenommen. Mit der langen Schnur wird die Kraft, die in die Fahrtrichtung wirkt, deutlich grösser und die nach oben wirkende Kraft deutlich kleiner. MASSE KRAFT 7 VOM ZUSAMMENSPIEL DER KRÄFTE Konstruktion von Kräften Hier sind noch drei Beispiele, bei denen du die Konstruktion selber vornehmen kannst. Vor einer Felswand liegt ein grosser Felsbrocken. Unmittelbar vor dem Brocken beginnt der See. Der Brocken muss in den See. Stossen können wir nicht wegen der Felswand, und geradeaus ziehen nicht wegen des Sees. Also ziehen wir mit zwei Traktoren seitlich. Zeichne die Kräfte der Traktoren ein. Konstruiere die Grösse und die Richtung der Resultierenden. Mädchen und Knaben lernen in der Hauswirtschaft, die Knaben zusätzlich in der Rekrutenschule, dass man den Besen beim Wischen vor sich her stösst und nicht hinter sich her schleift. Beim Wischen brauchen wir zwei Kraftkomponenten: eine waagrechte, die den Dreck vorwärts bewegt, und eine senkrechte, die den Besen gut gegen den Boden drückt. Was machen wir, wenn wir mit dem Besen auf etwas Klebriges stossen? Konstruiere in der nebenstehenden Zeichnung die beiden Komponenten. Die Zeichnung nebenan stellt eine leicht geneigte Rollbahn dar, die etwa für Beschleunigungsversuche verwendet wird. Konstruiere die beiden Kraftkomponenten bei verschiedener Bahnneigung für Körper gleichen Gewichtes.