Wie viel Gramm sind 1 N?

Drei Kräfte, die sich in einem dynamischen Gleichgewicht befinden, wirken auf den Surfer ein: Schwerkraft, Auftrieb und Strömungswiderstand

Überblick

In der Physik wird Kraft als Einfluss definiert, der die Bewegung eines Körpers, gleich ob äußere oder innere Bewegung, ändert, beispielsweise seine Form. Wird zum Beispiel ein Stein losgelassen, fällt er herunter, da er von der Schwerkraft der Erde angezogen wird. Beim Aufprall verbiegt er die Grashalme, auf die er fällt. Die Kraft des Gewichts von dem Stein verursacht die Bewegung und Änderung der Form der Grashalme.

Kraft ist ein Vektor, das heißt, er hat eine Richtung. Wenn mehrere Kräfte auf ein Objekt einwirken und es in unterschiedliche Richtungen ziehen, können diese Kräfte einen Gleichgewichtszustand erzeugen, das heißt, die Summe ihrer Vektoren ergibt null. In diesem Fall ist das Objekt in einem Ruhezustand. Möglicherweise rollt der Stein aus unserem Beispiel, aber wird schließlich liegen bleiben. Die Schwerkraft wird ihn immer noch nach unten ziehen, gleichzeitig schiebt die Normalkraft oder Bodenreaktionskraft den Stein nach oben. Die Nettosumme dieser Kräfte beträgt null. Sie sind in einem Gleichgewicht und der Stein bewegt sich nicht.

Im internationalen System der Einheiten (Système International d’Unités, SI) lautet die Einheit für Kraft Newton. Ein Newton entspricht der Nettokraft, durch die ein Objekt mit der Masse eines Kilogramms um einen Meter pro Quadratsekunde beschleunigt wird.

Kräftegleichgewicht

Einer der ersten Wissenschaftler, der Kräfte untersucht und ein Modell ihrer Wechselwirkung mit Materie im Universum erstellt hat, war Aristoteles. Gemäß seinem Modell sind die Kräfte, wenn die Nettosumme der Vektoren, die auf ein Objekt einwirken, null beträgt, im Gleichgewicht und das Objekt bewegt sich nicht. Dieses Modell wurde später dahingehend korrigiert, dass es Objekte umfasste, die sich bei einer konstanten Geschwindigkeit bewegten, wenn die Kräfte im Gleichgewicht waren. Diese Art Kräftegleichgewicht wird dynamisches Gleichgewicht genannt, bei einem ruhenden Objekt spricht man von einem statischen Gleichgewicht.

Die Grundkräfte im Universum

Kräfte in der Natur bewirken, dass Objekte sich bewegen oder an einem Ort bleiben. Es gibt vier Grundkräfte bzw. fundamentale Wechselwirkungen in der Natur: starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und Schwerkraft. Alle anderen Kräfte lassen sich diesen vier Grundkräften zuordnen. Starke und schwache Wechselwirkung, im Gegensatz zu elektrischen Kräften und der Gravitation, wirken sich auf Materie nur auf Kernebene aus. Sie funktionieren nicht über große Distanzen.

Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung ist die stärkste der vier Kräfte. Sie wirkt sich auf die Elemente des Atomkerns aus und hält die Neutronen und Protonen zusammen. Diese Kraft wird von Gluonen transportiert und bindet Quarks aneinander, sodass diese größere Teilchen bilden. Quarks bilden Neutronen, Protonen und andere größere Teilchen. Gluone sind kleinere Elementarteilchen, die keine Substruktur aufweisen und sich zwischen Quarks als Kraftträger bewegen. Die Bewegung von Gluonen erzeugt eine starke Wechselwirkung zwischen Quarks. Es ist die Kraft, die die Materie im Universum bildet.

Elektromagnetische Kraft

Umspannmast in Kyoto, Japan

Elektromagnetische Kraft ist die zweitstärkste Kraft. Es ist die Wechselwirkung zwischen Teilchen mit der entgegen gesetzten oder der gleichen elektrischen Ladung. Wenn zwei Teilchen die gleiche Ladung haben, also beide positiv oder beide negativ geladen sind, stoßen sie einander ab. Wenn sie andererseits eine gegensätzliche Ladung haben, also eins positiv und eins negativ geladen ist, ziehen sie einander an. Diese Bewegung von Teilchen, die einander abstoßen oder anziehen, ist Elektrizität. Es ist ein physisches Phänomen, von dem wir in unserem täglichen Leben Gebrauch machen und das wir in vielen Technologien einsetzen.

Die elektromagnetische Kraft kann sich bei chemischen Reaktionen, Licht und Elektrizität sowie anderen Wechselwirkungen zwischen Molekülen, Atomen und Elektronen auswirken. Diese Wechselwirkungen zwischen Teilchen sind für die Formen verantwortlich, die Feststoffe in dieser Welt annehmen. Die elektromagnetische Kraft verhindert, dass zwei feste Objekte einander durchdringen, weil die Elektronen in einem Objekt die Elektronen der gleichen Ladung des anderen Objekts abstoßen. Früher wurden elektrische und magnetische Kräfte als getrennte Einflussfaktoren betrachtet, aber schließlich wurde entdeckt, dass diese verwandt sind. Die Ladung der meisten Objekte ist neutral, aber man kann die Ladung eines Objekts ändern, indem man zwei Objekte aneinander reibt. Die Elektronen wandern zwischen den zwei Materialien. Sie werden von den gegensätzlich geladenen Elektronen des anderen Materials angezogen. Dadurch verbleiben mehr Elektronen der gleichen Ladung auf der Oberfläche jedes Objekts und die vorherrschende Ladung des Objekts insgesamt wird geändert. Wenn man beispielsweise beim Ausziehen einen Pullover über die Haare zieht und den Pullover langsam abhebt, wird das Haar dem Pullover „folgen“. Der Grund liegt darin, dass die Elektronen auf der Oberfläche des Haars mehr von den Atomen der Oberfläche des Pullovers angezogen werden, als die Elektronen der Oberfläche des Pullovers von den Atomen der Oberfläche des Haars. Haar oder ähnlich geladene Objekte werden auch von den neutral geladenen Oberflächen angezogen.

Schwache Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung ist schwächer als die elektromagnetische Kraft. Wie Gluonen starke Kraft transportieren, transportieren W- und Z-Bosonen schwache Kraft. Es sind Elementarteilchen, die abgegeben oder absorbiert werden. W-Bosone ermöglichen den Prozess des radioaktiven Zerfalls, während Z-Bosone sich nicht auf die mit ihnen in Kontakt kommenden Teilchen auswirken, außer dass sie einen Impuls übertragen. Die Kohlenstoffmethode, ein Verfahren zur Altersbestimmung organischer Materie, ist aufgrund der schwachen Wechselwirkung möglich. Sie wird genutzt, um das Alter historischer Artefakte zu bestimmen und basiert auf den Verfall von Kohlenstoff, der in dieser organischen Materie vorhanden ist.

Schwerkraft

Lake Ontario. Mississauga, Kanada. Sternenklare Nacht

Die Schwerkraft ist die schwächste der vier Grundkräfte. Durch die Schwerkraft bleiben die astronomischen Objekte im Universum an ihrem Platz. Sie ist für die Gezeiten verantwortlich und bewirkt, dass Objekte zu Boden fallen, wenn sie losgelassen werden. Es ist die Kraft, die auf Objekte einwirkt, sodass diese sich gegenseitig anziehen. Die Stärke dieser Anziehung erhöht sich mit der Masse des Objekts. Wie die anderen Kräfte, glaubt man, dass sie durch Teilchen, Gravitonen, übertragen wird, aber diese Teilchen wurden noch nicht entdeckt. Schwerkraft beeinflusst, wie sich astronomische Objekte bewegen. Die Bewegung lässt sich auf Grundlage der Masse der umgebenden Objekte berechnen. Diese Abhängigkeit ermöglichte Wissenschaftlern, vorherzusehen, das Neptun existiert, bevor Neptun im Teleskop zu sehen war, indem sie die Bewegung von Uranus beobachteten. Vor dem Hintergrund der zu der Zeit bekannten astronomischen Objekte war die Bewegung von Uranus nicht einheitlich mit der vorhergesagten Bewegung. Daraus schlossen Wissenschaftler, dass ein weiterer Planet, der noch nicht bekannt war, seine Bewegungsmuster beeinflussen musste.

Gemäß der Relativitätstheorie verändert die Schwerkraft zudem das Raum-Zeit-Kontinuum, dem vierdimensionalen Raum, indem alles, auch der Mensch existiert. Bei dieser Theorie erhöht sich die Raum-Zeit-Krümmung mit der Masse. Deshalb ist es leichter, sie bei Objekten großer Masse wie Planeten zu beobachten. Diese Krümmung wurde experimentell bewiesen. Mann kann sie sehen, wenn zwei und synchronisierte Uhren verglichen werden, von der eine am gleichen Ort bleibt und die andere eine erhebliche Strecke entlang eines Körpers mit großer Masse bewegt wird. Wenn die Uhr beispielsweise um den Orbit der Erde bewegt wird, wie im Hafele-Keating-Experiment, dann wird sie eine spätere Zeit anzeigen, als die ortsgebundene Uhr. Die Raum-Zeit-Krümmung bewirkt, dass die Zeit für die sich bewegende Uhr langsamer vergeht.

Die Schwerkraft verursacht, dass Objekte beschleunigen, wenn sie auf ein anderes Objekt zu fallen. Dies ist bemerkbar, wenn der Masseunterschied zwischen den zwei Objekten groß ist. Die Beschleunigung kann anhand der Masse der Objekte berechnet werden. Für Objekte, die in Richtung Erde fallen, beträgt sie 9,8 Meter pro Quadratsekunde.

Die Gezeiten

Die Gezeiten, auch Tide genannt, sind ein aktives Beispiel für die Schwerkraft. Sie werden durch die Anziehungskraft des Mondes, der Sonne und der Erde verursacht. Im Gegensatz zu massiven Objekten kann Wasser sehr leicht seine Form ändern, wenn Kräfte darauf einwirken. Daher wird die Erdoberfläche durch das Einwirken der Kräfte von Sonne und Mond nicht so sehr angezogen wie das Wasser. Der Mond und die Sonne bewegen sich über den Himmel und das Wasser folgt ihnen: Ebbe und Flut entstehen. Die Kräfte, die auf das Wasser wirken, werden Gezeiten- oder Tidenkraft genannt und gehören zu einer Gruppe von Gravitationskräften. Der Mond, da er näher zur Erde ist, übt eine stärkere Gezeitenkraft aus als die Sonne. Wenn die Gezeitenkräfte von Sonne und Mond in der gleichen Richtung wirken, ist die Tide am Stärksten und wird Springtide genannt. Wirken diese zwei Kräfte gegensätzlich auf das Wasser, ist die Tide am schwächsten und wird Nipptide genannt.

Tiden erfolgen je nach Region mit unterschiedlicher Frequenz. Weil die Anziehungskräfte des Mondes und der Sonne sowohl das Wasser als auch die gesamte Erde anziehen, treten Tiden in einigen Regionen auf, wenn die Anziehungskraft auf das Wasser und die Erde in die gleiche oder in unterschiedliche Richtungen wirkt. In diesem Fall treten Ebbe und Flut zweimal an einem Tag auf. In einigen Regionen erfolgen Ebbe und Flut nur einmal am Tag. Tide-Muster an der Küste hängen von der Form der Küste ab, von den Tide-Mustern über dem Ozean und dem Stand des Mondes und der Sonne sowie die Wechselwirkung ihrer Anziehungskraft. An einigen Orten kann die Dauer zwischen Tiden mehrere Jahre dauern. Je nach Küstenlinie und Tiefe des Ozeans erzeugen Tiden Strömungen, Änderungen im Windmuster und Schwankungen im Luftdruck. Einige Orte nutzen besondere Uhren, um die nächste Tide zu berechnen. Sie sind auf Basis der Gezeiten vor Ort konfiguriert und müssen neu konfiguriert werden, wenn sie an einen anderen Standort gebracht werden. In manchen Regionen funktionieren Gezeitenuhren nicht, da Tiden dort nicht gut vorhergesagt werden können.

Die Gezeitenkraft, die Wasser von und zur Küste bewegt, wird manchmal genutzt, um Energie zu erzeugen. Seemühlen wurden seit Jahrhunderten für diese Kraft genutzt. Die Konstruktion verfügt über ein Wasserreservoir, in die das Wasser bei Flut ein und bei Ebbe ausgelassen wird. Die kinetische Energie des fließenden Wassers bewegt die Räder der Mühle. Die erzeugte Energie wird verwendet, um Arbeit zu verrichten, wie beispielsweise Korn mahlen. Obwohl es viele Probleme mit diesem System gibt, unter anderem Gefahren für das Ökosystem, wo diese Mühlen gebaut werden, hat diese Methode der Energieerzeugung Potenzial, da sie erneuerbar und eine zuverlässige Energiequelle ist.

Andere Kräfte

Die Kräfte, die von den Grundkräften abgeleitet sind, werden nichtfundamentale Kraft genannt.

Normalkraft

Eine der nichtfundamentalen Kräfte ist die Normalkraft, die senkrecht auf die Oberfläche des Objekts wirkt und nach außen drückt, dem Druck anderer Objekte widerstehend. Wenn ein Objekt auf eine Oberfläche platziert wird, ist die Größe der Normalkraft gleich der Nettokraft, die gegen die Oberfläche drückt. Auf einer flachen Oberfläche, wenn alle Kräfte außer der Schwerkraft im Gleichgewicht sind, entspricht die Normalkraft der Schwerkraft in der Größe und wirkt sich entgegengesetzt aus. Die Vektorsumme der zwei Kräfte beträgt dann null und das Objekt ist im Ruhezustand oder bewegt sich mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit. Befindet sich das Objekt an einem Hang und andere Kräfte sind im Gleichgewicht, zeigt die Summe der Schwerkraft und der Normalkraft nach unten (aber nicht direkt nach unten bzw. senkrecht zum Horizont) und das Objekt rutscht herunter, entlang des Hangs.

Breitere Reifen liefern größere Reibung

Reibung

Reibung ist eine Kraft parallel zur Oberfläche eines Objekts und entgegensetzt seiner Bewegung. Sie tritt auf, wenn zwei Objekte aneinander reiben (kinetische Reibung) oder wenn ein ruhendes Objekt auf eine schräge Oberfläche gestellt wird (statische Reibung). Diese Kraft wird genutzt, wenn Objekte in Bewegung gesetzt werden, beispielsweise finden Räder aufgrund Reibung am Boden Halt. Ohne dem könnten sie keine Fahrzeuge bewegen. Die Reibung zwischen dem Gummi der Räder und dem Boden ist stark genug, um sicherzustellen, dass die Reifen nicht auf dem Boden rutschen. Sie ermöglicht eine Rollbewegung und bessere Kontrolle der Richtung der Bewegung. Reibung eines rollenden Objekts, rollende Reibung oder Rollwiderstand ist nicht so stark wie trockene Reibung zweier Objekte, die aneinander rutschen. Reibung wird beim Einsatz der Bremsen genutzt. Die Räder eines Fahrzeugs werden durch trockene Reibung in den Scheiben- oder Trommelbremsen verlangsamt. In einigen Fällen ist Reibung unerwünscht, da es Bewegung verlangsamt und mechanische Komponenten abnutzt. Flüssigkeiten oder glatte Oberflächen werden verwendet, um Reibung auf ein Minimum zu verringern.

Wissenswertes über Kräfte

Kräfte können starre Objekte verformen oder bei Flüssigkeiten und Gasen Volumen und Druck ändern. Dies passiert, wenn Kräfte auf die unterschiedlichen Teile eines Objekts oder einer Substanz einwirken. In einigen Fällen, wenn ausreichend Kraft auf ein schweres Objekt ausgeübt wird, kann es zu einer sehr kleinen Kugel komprimiert werden. Wenn diese Kugel klein genug ist, unter einem bestimmten Radius, kann ein schwarzes Loch gebildet werden. Dieser Radius wird Schwarzschild-Radius genannt. Er variiert je nach Masse des Objekts und kann anhand einer Formel berechnet werden. Das Volumen der Kugel ist so klein, das es im Vergleich zur Masse des Objekts fast null entspricht. Da die Masse von schwarzen Löchern so stark komprimiert ist, verfügen sie über eine sehr hohe Anziehungskraft, sodass andere Objekte ihm nicht entkommen können. Dies gilt auch für Licht. Schwarze Löcher reflektieren kein Licht, daher erscheinen sie vollständig schwarz. Und daher rührt auch ihr Name. Wissenschaftler denken, dass große Sterne sich am Lebensende in schwarze Löcher wandeln und ihre Masse sich erhöht, indem sie andere Objekte absorbieren, die sich in einem bestimmten Radius von ihnen entfernt befinden.

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