Übersicht
Die Physik definiert Kraft als einen Einfluss, der die Bewegung eines Körpers verändert, sei es äußere Bewegung oder Bewegung innerhalb des Körpers, wie zum Beispiel die Veränderung seiner Form. Wenn zum Beispiel ein Stein losgelassen wird, fällt er herunter, weil er von der Schwerkraft der Erde gezogen wird. Während des Aufpralls biegt es die Grashalme, auf die es fällt — die Kraft des Gewichts des Steins lässt sie sich bewegen und ihre Form verändern.
Kraft ist ein Vektor, was bedeutet, dass sie eine Richtung hat. Wenn mehrere Kräfte auf ein Objekt wirken und es in verschiedene Richtungen ziehen, können diese Kräfte im Gleichgewicht sein, was bedeutet, dass ihre Vektorsumme Null ist. In diesem Fall wäre das Objekt in Ruhe. Der Stein aus dem früheren Beispiel kann rollen, nachdem er den Boden berührt hat, aber er wird schließlich aufhören. Die Schwerkraft zieht ihn immer noch nach unten, aber gleichzeitig drückt die Normalkraft oder Bodenreaktionskraft den Stein nach oben. Die Nettosumme dieser Kräfte ist Null, sie sind im Gleichgewicht und der Stein bewegt sich nicht.
Die SI-Einheit der Kraft ist das Newton. Ein Newton entspricht der Nettokraft, die ein Objekt mit der Masse von einem Kilogramm um einen Meter pro Sekunde im Quadrat beschleunigt.
Equilibrium
Einer der ersten Wissenschaftler, der Kräfte untersuchte und ein Modell ihrer Wechselwirkung mit Materie im Universum schuf, war Aristoteles. Wenn nach seinem Modell die Nettovektorsumme der auf ein Objekt einwirkenden Kräfte Null ist, befinden sich die Kräfte im Gleichgewichtszustand und das Objekt ist stationär. Dieses Modell wurde später korrigiert, um Objekte einzubeziehen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, wenn die Kräfte im Gleichgewicht sind. Diese Art von Gleichgewicht wird als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet, während das mit dem ruhenden Objekt als statisches Gleichgewicht bezeichnet wird.
Fundamentale Kräfte im Universum
Kräfte in der Natur bewirken, dass sich Objekte bewegen oder an Ort und Stelle bleiben. Es gibt vier grundlegende Kräfte in der Natur: stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ. Alle anderen Kräfte sind Teilmengen dieser vier. Im Gegensatz zu elektrischen und Gravitationskräften beeinflussen starke und schwache Kräfte Materie nur auf nuklearer Ebene. Sie arbeiten nicht über große Entfernungen.
Starke Kraft
Starke Kraft ist die stärkste der vier Kräfte. Es wirkt auf die Elemente des Atomkerns und hält Neutronen und Protonen zusammen. Diese Kraft wird von Gluonen getragen und bindet Quarks zu größeren Teilchen zusammen. Quarks bilden Neutronen, Protonen und andere größere Teilchen. Gluonen sind kleinere Elementarteilchen, die keine Unterstruktur haben und sich als Kraftträger zwischen Quarks bewegen. Die Bewegung von Gluonen erzeugt eine starke Kraft zwischen Quarks. Dies ist die Kraft, die Materie im Universum ausmacht.
Elektromagnetische Kraft
Elektromagnetische Kraft ist die zweitstärkste Kraft. Es ist eine Wechselwirkung zwischen Teilchen mit entgegengesetzten oder gleichen elektrischen Ladungen. Wenn zwei Teilchen die gleiche Ladung haben, dh beide positiv oder beide negativ sind, stoßen sie sich ab. Wenn sie andererseits die entgegengesetzte Ladung haben, wobei eine positiv und eine negativ ist, werden sie voneinander angezogen. Diese Bewegung von Partikeln, die von anderen Partikeln abgestoßen oder angezogen werden, ist Elektrizität — ein physikalisches Phänomen, das wir in unserem täglichen Leben und in den meisten Technologien verwenden.
Die elektromagnetische Kraft kann chemische Reaktionen, Licht und Elektrizität sowie Wechselwirkungen zwischen Molekülen, Atomen und Elektronen erklären. Diese Wechselwirkungen zwischen Partikeln sind für die Formen verantwortlich, die feste Objekte in der Welt annehmen. Die elektromagnetische Kraft verhindert, dass sich zwei feste Objekte durchdringen, da die Elektronen in einem Objekt die Elektronen derselben Ladung des anderen Objekts abstoßen. Historisch gesehen wurden elektrische und magnetische Kräfte als getrennte Einflüsse behandelt, aber schließlich wurde entdeckt, dass sie verwandt sind. Die meisten Objekte haben eine neutrale Ladung, aber es ist möglich, die Ladung eines Objekts zu ändern, indem zwei Objekte aneinander gerieben werden. Die Elektronen bewegen sich zwischen den beiden Materialien und werden von den entgegengesetzt geladenen Elektronen im anderen Material angezogen. Dadurch bleiben mehr Elektronen derselben Ladung auf der Oberfläche jedes Objekts, wodurch sich die dominante Ladung des Objekts insgesamt ändert. Wenn man zum Beispiel Haare mit einem Pullover reibt und dann den Pullover weghebt, stehen die Haare auf und „folgen“ dem Pullover. Dies liegt daran, dass Elektronen auf der Oberfläche des Haares mehr von den Atomen auf der Oberfläche des Pullovers angezogen werden als Elektronen auf der Oberfläche des Pullovers von den Atomen auf der Oberfläche des Haares angezogen werden. Haare oder andere ähnlich geladene Gegenstände werden ebenfalls von den neutral geladenen Oberflächen angezogen.
Schwache Kraft
Schwache Kraft ist schwächer als die elektromagnetische. Genau wie Gluonen die starke Kraft tragen, tragen W- und Z-Bosonen die schwache Kraft. Sie sind Elementarteilchen, die emittiert oder absorbiert werden. W-Bosonen erleichtern den Prozess des radioaktiven Zerfalls, während die Z-Bosonen die Teilchen, mit denen sie in Kontakt kommen, nicht beeinflussen, außer Impuls zu übertragen. Kohlenstoff Dating, ein Prozess zur Bestimmung des Alters organischer Materie, ist wegen der schwachen Kraft möglich. Es wird verwendet, um das Alter historischer Artefakte festzustellen, und basiert auf der Bewertung des Zerfalls von Kohlenstoff, der in dieser organischen Substanz vorhanden ist.
Gravitationskraft
Die Gravitationskraft ist die schwächste der vier. Es hält die astronomischen Objekte in ihren Positionen im Universum, ist für Gezeiten verantwortlich und bewirkt, dass Objekte beim Loslassen auf den Boden fallen. Es ist die Kraft, die auf Objekte einwirkt und sie zueinander anzieht. Die Stärke dieser Anziehungskraft nimmt mit der Masse des Objekts zu. Wie die anderen Kräfte wird angenommen, dass sie durch Teilchen, Gravitonen, vermittelt werden, aber diese Teilchen wurden noch nicht entdeckt. Die Gravitation beeinflusst, wie sich astronomische Objekte bewegen, und die Bewegung kann basierend auf der Masse der umgebenden Objekte berechnet werden. Diese Abhängigkeit ermöglichte es Wissenschaftlern, Neptuns Existenz vorherzusagen, indem sie die Bewegung von Uranus beobachteten, bevor Neptun im Teleskop gesehen wurde. Dies lag daran, dass die Bewegung von Uranus nicht mit seiner vorhergesagten Bewegung übereinstimmte, basierend auf den damals bekannten astronomischen Objekten, Daher folgerten Wissenschaftler, dass ein anderer Planet, noch unsichtbar, seine Bewegungsmuster beeinflussen muss.
Nach der Relativitätstheorie verändert die Schwerkraft auch das Raum-Zeit-Kontinuum, den vierdimensionalen Raum, in dem alles, auch der Mensch, existiert. Nach dieser Theorie nimmt die Krümmung der Raumzeit mit der Masse zu, und deshalb ist es einfacher, mit Objekten zu bemerken, die so groß wie Planeten oder größer in der Masse sind. Diese Krümmung wurde experimentell nachgewiesen und kann gesehen werden, wenn zwei synchronisierte Uhren verglichen werden, bei denen eine stationär ist und sich eine beträchtliche Strecke entlang eines Körpers mit einer großen Masse bewegt. Zum Beispiel, wenn die Uhr um die Umlaufbahn der Erde bewegt wird, wie in Hafele–Keating Experiment, dann wird die Zeit, die es zeigt, hinter der stationären Uhr sein, weil die Raum-Zeit-Krümmung bewirkt, dass die Zeit langsamer für die Uhr in Bewegung läuft.
Die Schwerkraft beschleunigt Objekte, wenn sie auf ein anderes Objekt fallen, und dies macht sich bemerkbar, wenn der Massenunterschied zwischen den beiden groß ist. Diese Beschleunigung kann basierend auf der Masse der Objekte berechnet werden. Für Objekte, die auf die Erde fallen, sind es etwa 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat.
Gezeiten
Gezeiten sind Beispiele für Gravitationskraft in Aktion. Sie werden durch die Gravitationskräfte des Mondes, der Sonne und der Erde verursacht. Im Gegensatz zu festen Objekten kann Wasser leicht seine Form ändern, wenn Kräfte darauf einwirken. Wenn also die Gravitationskräfte des Mondes und der Sonne auf die Erde einwirken, wird die Bodenoberfläche nicht so stark von diesen Kräften gezogen wie das Wasser. Der Mond und die Sonne bewegen sich über den Himmel, und das Wasser auf der Erde folgt ihnen und verursacht Gezeiten. Die Kräfte, die auf das Wasser einwirken, werden Gezeitenkräfte genannt; Sie sind eine Vielzahl von Gravitationskräften. Der Mond, der näher an der Erde liegt, hat eine stärkere Gezeitenkraft als die Sonne. Wenn die Gezeitenkräfte von Sonne und Mond in die gleiche Richtung wirken, ist die Flut am stärksten und wird als Springflut bezeichnet. Wenn diese beiden Kräfte entgegengesetzt sind, ist die Flut die schwächste und wird als Neap-Flut bezeichnet.
Gezeiten treten je nach geografischem Gebiet unterschiedlich häufig auf. Da die Schwerkraft des Mondes und der Sonne sowohl das Wasser als auch den gesamten Planeten Erde zieht, treten in einigen Gebieten Gezeiten auf, wenn die Schwerkraft das Wasser und die Erde in die gleiche oder in verschiedene Richtungen zieht. In diesem Fall passiert das Hoch- und Ebbe-Paar zweimal an einem Tag. In einigen Gebieten geschieht dies nur einmal am Tag. Gezeitenmuster an der Küste hängen von der Form der Küste, den Tiefsee-Gezeitenmustern und der Position von Mond und Sonne sowie der Wechselwirkung ihrer Gravitationskräfte ab. An einigen Orten kann die Zeitdauer zwischen den Gezeiten bis zu mehreren Jahren dauern. Abhängig von der Küste und der Tiefe des Ozeans können Gezeiten Strömungen, Stürme, Änderungen der Windmuster und Luftdruckschwankungen verursachen. Einige Orte verwenden spezielle Uhren, um zu berechnen, wann die nächste Flut eintreten wird. Sie werden basierend auf den Gezeitenereignissen in der Region konfiguriert und müssen neu konfiguriert werden, wenn sie an einen anderen Ort verschoben werden. In einigen Gebieten sind Gezeitenuhren nicht effektiv, da Gezeiten dort nicht einfach vorhergesagt werden können.
Die Gezeitenkraft, die Wasser zum und vom Ufer bewegt, wird manchmal zur Stromerzeugung genutzt. Gezeitenmühlen nutzen diese Kraft seit Jahrhunderten. Die Grundkonstruktion hat ein Wasserreservoir, und das Wasser wird bei Flut eingelassen und bei Ebbe aus. Die kinetische Energie des fließenden Wassers bewegt das Rad der Mühle, und die erzeugte Energie wird verwendet, um Arbeiten auszuführen, beispielsweise Körner zu Mehl zu mahlen. Während es eine Reihe von Problemen mit diesem System gibt, einschließlich Gefahren für das Ökosystem, in dem diese Mühle gebaut wird, hat diese Methode der Energieerzeugung Potenzial, weil es eine erneuerbare und zuverlässige Energiequelle ist.
Nicht-fundamentale Kräfte
Die Kräfte, die von den fundamentalen Kräften abgeleitet sind, werden nicht-fundamentale Kräfte genannt.
Normalkraft
Eine der nicht fundamentalen Kräfte ist die Normalkraft, die senkrecht zur Oberfläche des Objekts wirkt und nach außen drückt und dem Druck anderer Objekte widersteht. Wenn ein Objekt auf einer Oberfläche platziert wird, ist die Größe der Normalkraft gleich der Nettokraft, die gegen die Oberfläche drückt. Auf einer ebenen Fläche, wenn andere Kräfte als die Schwerkraft im Gleichgewicht sind, ist die Normalkraft gleich der Gravitationskraft in der Größe und entgegengesetzt in der Richtung. Die Vektorsumme der beiden Kräfte ist dann Null und das Objekt steht still oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Wenn sich das Objekt auf einer Steigung befindet und andere Kräfte im Gleichgewicht sind, zeigt die Summe der Gravitations- und Normalkräfte nach unten (aber nicht direkt nach unten, senkrecht zum Horizont), und das Objekt gleitet entlang der Steigung nach unten.
Reibung
Reibung ist eine Kraft parallel zur Oberfläche eines Objekts und entgegengesetzt zu seiner Bewegung. Es tritt auf, wenn zwei Objekte gegeneinander gleiten (kinetische Reibung) oder wenn ein stationäres Objekt auf eine geneigte Oberfläche gelegt wird (statische Reibung). Diese Kraft wird eingesetzt, wenn Objekte in Bewegung gesetzt werden, beispielsweise Räder aufgrund von Reibung am Boden haften. Ohne sie wären sie nicht in der Lage gewesen, Fahrzeuge anzutreiben. Die Reibung zwischen dem Gummi der Reifen und dem Boden ist stark genug, um sicherzustellen, dass die Reifen nicht über den Boden gleiten, und ermöglicht die Rollbewegung und eine bessere Kontrolle der Bewegungsrichtung. Die Reibung eines rollenden Objekts, Rollreibung oder Rollwiderstand, ist nicht so stark wie die Trockenreibung zweier gegeneinander gleitender Objekte. Reibung wird beim Anhalten unter Verwendung von Pausen verwendet — die Räder eines Fahrzeugs werden durch Trockenreibung in den Scheiben- oder Trommelbremsen verlangsamt. In einigen Fällen ist Reibung unerwünscht, da sie die Bewegung verlangsamt und mechanische Komponenten verschleißt. Flüssigkeiten oder glatte Oberflächen werden verwendet, um die Reibung zu minimieren.
Wissenswertes über Kräfte
Kräfte können feste Gegenstände verformen oder Volumen und Druck in Flüssigkeiten und Gasen verändern. Dies geschieht, wenn Kräfte ungleich auf verschiedene Teile des Objekts oder der Substanz ausgeübt werden. In einigen Fällen, wenn genügend Kraft auf ein schweres Objekt ausgeübt wird, kann es zu einer sehr kleinen Kugel zusammengedrückt werden. Wenn diese Kugel klein genug ist, kleiner als ein bestimmter Radius, kann ein Schwarzes Loch gebildet werden. Dieser Radius wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet. Sie variiert je nach Masse des Objekts und kann mithilfe einer Formel berechnet werden. Das Volumen dieser Kugel ist so klein, dass es im Vergleich zur Masse des Objekts fast Null ist. Weil die Masse der Schwarzen Löcher so stark kondensiert ist, haben sie eine extrem hohe Anziehungskraft, so dass andere Objekte ihr nicht entkommen können, und auch nicht das Licht. Schwarze Löcher reflektieren kein Licht und erscheinen daher vollständig schwarz. Deshalb werden sie Schwarze Löcher genannt. Wissenschaftler glauben, dass große Sterne am Ende ihres Lebens zu Schwarzen Löchern werden und an Masse zunehmen können, indem sie andere Objekte absorbieren, die sich in einem bestimmten Radius befinden.
