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Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird.

Die mechanische Arbeit beschreibt einen Vorgang oder Prozess. Sie wird deshalb auch als eine Prozessgröße bezeichnet.

In Natur und Technik wirken unterschiedliche Arten von Kräften: Gewichtskräfte, Reibungskräfte, Kräfte bei der Drehbewegung, Kräfte an Hebeln und Rollen, Gravitationskräfte. Der Zusammenhang zwischen Kräften und Bewegungen wird durch die newtonschen Gesetze beschrieben.  Im Test werden Kenntnisse über Kräfte und deren Wirkungen überprüft.

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Kräfte und ihre Wirkungen".

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Federkraftmesser sind Messgeräte zur Messung der physikalischen Größe Kraft. Bei ihnen wird das hookesche Gesetz genutzt, das besagt: Bei einer elastisch verformten Feder ist die Ausdehnung proportional zur einwirkenden Kraft.

Hubarbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft gehoben wird. Ist die Kraft konstant und wirkt sie in Richtung des Weges, so gilt für die Hubarbeit:

$\begin{array}{l}{W}_H=F_G\cdot h\text{ oder}\\ W_H=m\cdot g\cdot h\\ F_G\text{ Gewichtskraft des Körpers}\\ h\text{ Höhe}\text{, um die der Körper }\\ \text{ gehoben wird (Weg)}\\ m\text{ Masse des Körpers}\\ g\text{ Fallbeschleunigung (Ortsfaktor)}\\ \end{array}$

Die Hubarbeit wird wie die anderen Arten mechanischer Arbeit in den Einheiten ein Newtonmeter (1 Nm) und ein Joule (1 J) gemessen.

Die Kraft gibt an, wie stark zwei Körper aufeinander einwirken. Die Kraft ist eine Wechselwirkungsgröße und eine gerichtete (vektorielle) Größe. Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von ihrem Betrag, von ihrer Richtung und von ihrem Angriffspunkt.

Man unterscheidet u. a. elektrische Kräfte, magnetische Kräfte, Reibungskräfte, Gewichtskräfte, Adhäsionskräfte und Kohäsionskräfte voneinander.

Kräfte sind gerichtete (vektorielle) Größen. Eine Kraft kann in Teilkräfte oder Komponenten zerlegt werden, wenn die Richtungen der Komponenten bekannt sind. Die Beträge der Komponenten kann man zeichnerisch ermitteln. Ihre Beträge hängen vom Betrag der Kraft und von den Richtungen der Komponenten ab.

Zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung gilt folgender Zusammenhang:
 

Dieses Gesetz wurde von ISAAC NEWTON (1643-1727) entdeckt und beinhaltet einen grundlegenden Zusammenhang zwischen Kraft und Bewegung.

Reibungsarbeit wird verrichtet, wenn auf einen bewegten Körper Reibungskräfte wirken und seine Bewegung hemmen. Für die Reibungsarbeit gilt:

$\begin{array}{l}{W}_R=F_R\cdot s\\ W_R=\mu \cdot F_N\cdot s\\ F_R\text{ Reibungskraft}\\ s\text{ zurückgelegter Weg}\\ \mu \text{ Reibungszahl}\\ F_N\text{ Normalkraft (senkrecht auf die Unterlage}\\ \text{ wirkende Kraft)}\end{array}$

Die Reibungsarbeit wird wie die anderen Arten mechanischer Arbeit in den Einheiten ein Newtonmeter (1 Nm) und ein Joule (1 J) gemessen.

Verformungsarbeit wird verrichtet, wenn auf einen Körper eine Kraft wirkt und er dadurch seine Form ändert. Eine spezielle Form der Verformungsarbeit tritt auf, wenn eine elastische Feder gedehnt wird. Für diesen Fall kann die Arbeit mit den folgenden Gleichungen berechnet werden:

$\begin{array}{l}{W}_F=\frac{1}{2}{F}_E\cdot s\\ W_F=\frac{1}{2}D\cdot s^2\\ F_E\text{ Endkraft (Kraft bei der Ausdehnung }s\text{)}\\ s\text{ Dehnung der Feder (Weg)}\\ D\text{ Federkonstante}\end{array}$

Die Verformungsarbeit kann auch aus einem Kraft-Weg-Diagramm (F-s-Diagramm) ermittelt werden. Die Verformungsarbeit wird wie die anderen Arten mechanischer Arbeit in den Einheiten ein Newtonmeter (1 Nm) und ein Joule (1 J) gemessen.

Die elektrische Feldstärke ist ein Maß für die Intensität des elektrischen Feldes. Sie ist der Quotient aus der Kraft, die das Feld auf einen positiv geladenen Probekörper ausübt, und dessen Ladung.
Die elektrische Feldstärke ist eine vektorielle Größe. Charakterisiert man ein elektrisches Feld durch die Angabe seiner Feldstärke, ist daher neben dem Betrag auch stets die Wirkungsrichtung von Belang. Die Feldstärken mehrerer elektrischer Felder überlagern sich durch vektorielle Addition zu einer resultierenden Feldstärke.

Formelzeichen: $\stackrel{\rightharpoonup }{E}$

Einheiten: 1 Volt/Meter (1$V\cdot m^{-1}$), 1 Newton/Coulomb $(1\text{N}\cdot {\text{C}}^{-1})$

Bei Schraubenschlüsseln, Türklinken, Fahrrädern, Flaschenöffnern, Waagen oder Sportgeräten wirken Kräfte auf drehbare Körper. Das Drehmoment oder Kraftmoment ist die analoge Größe zur Kraft. Während die Kraft die Wirkung auf einen Körper beschreibt, der als Massepunkt angesehen werden kann und eine translatorische Bewegung ausführt, beschreibt das Drehmoment die Wirkung einer außerhalb der Drehachse angreifenden Kraft auf einen drehbar gelagerten starren Körper. Diese Wirkung kann durch solche Größen wie Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung beschrieben werden. Für das Drehmoment gilt:

$\begin{array}{l}\overrightarrow{M}=\overrightarrow{r}\times \overrightarrow{F}\text{und unter der Bedingung}\text{, dass die Kraft senkrecht}\\ \text{am Hebel angreift}\text{,}M=r\cdot F.\end{array}$

Bei der Translation gilt zwischen der Kraft F, der Masse m und der Beschleunigung a der grundlegende Zusammenhang $\overrightarrow{F}=m\cdot \overrightarrow{a}$, das newtonsche Grundgesetz. Es wird auch als Grundgesetz der Dynamik der Translation bezeichnet. Für die Rotation starrer Körper gibt es ein analoges Gesetz, das Grundgesetz der Dynamik der Rotation. Es lautet:
Für den Zusammenhang zwischen dem an einem Körper angreifenden Drehmoment, seinem Trägheitsmoment und der Winkelbeschleunigung gilt die Gleichung:
$\begin{array}{l}\overrightarrow{M}=J\cdot \overrightarrow{\alpha }\\ M\text{Drehmoment}\\ J\text{Trägheitsmoment}\\ \alpha \text{Winkelbeschleunigung}\end{array}$

Die elektrische Arbeit gibt an, wie viel elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird.

Elektrische Arbeit muss man verrichten, um einen geladenen Körper in einem elektrischen Feld zu verschieben.

Die elektrische Arbeit gibt an, wie viel elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird.

Formelzeichen: W

Einheiten: eine Wattsekunde (1 $W\cdot s$), ein Joule (1 J)

Elektrische Arbeit muss man verrichten, um einen geladenen Körper in einem elektrischen Feld zu verschieben.

Der Begriff Kraft wird im Alltag und in der Physik in vielfältiger Weise verwendet. Während der Alltagsbegriff mit unterschiedlichen Begriffsinhalten genutzt wird, ist die physikalische Größe Kraft eindeutig definiert:
Die Kraft gibt an, wie stark ein Körper bewegt oder verformt wird. Sie ist eine Wechselwirkungsgröße und eine vektorielle (gerichtete) Größe. Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von ihrem Betrag, ihrer Richtung und ihrem Angriffspunkt.

$\begin{array}{l}\text{Formelzeichen:}\overrightarrow{F}\\ \text{Einheit: ein Newton (1 N)}\\ \text{1 N = 1}\frac{\text{kg}\cdot \text{m}}{{\text{s}}^2}\end{array}$
Man unterscheidet u.a. elektrische Kräfte, magnetische Kräfte, Reibungskräfte, Druckkräfte, Radialkräfte, Gewichtskräfte, Schubkräfte, Spannkräfte und Zugkräfte, Adhäsionskräfte und Kohäsionskräfte, innere Kräfte und äußere Kräfte voneinander.

Das von GALILEO GALILEI (1564-1642) gefundene Trägheitsgesetz lautet:
Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung, solange die Summe der auf ihn wirkenden Kräfte null ist.
$\overrightarrow{v}=\text{konstant bei}\overrightarrow{F}={\displaystyle \sum _{i=1}^n{\overrightarrow{F}}_i}=0$
ISAAC NEWTON (1643-1727) formulierte dieses Gesetz in klarer Form in Rahmen seiner newtonschen Mechanik. Es wird deshalb auch als 1. newtonsches Gesetz bezeichnet.

Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der Körper eine Kraft. Die Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet:

${\overrightarrow{F}}_1=-{\overrightarrow{F}}_2$

Dieses Gesetz wurde von dem berühmten englischen Naturforscher ISAAC NEWTON (1643-1727) entdeckt. Es wird auch als 3. newtonsches Gesetz oder 3. newtonsches Axiom bezeichnet. Entsprechend seinem Inhalt spricht man auch vom Gegenwirkungsprinzip, von „actio = reactio“ oder von „Kraft = Gegenkraft“.

Die Dynamik beschäftigt sich mit den Kräften und ihren Wirkungen. Die Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften spielt bei zahlreichen Anwendungen eine wichtige Rolle. Die verschiedenen Arten von Kräften (Gewichtskräfte, Reibungskräfte, Kräfte bei der Drehbewegung) haben unterschiedliche Ursachen und Wirkungen. Die grundlegenden Gesetze der Dynamik sind die drei newtonschen Gesetze. Bei dem Test geht es darum nachzuweisen, dass sichere Kenntnisse über die Grundlagen der Dynamik vorliegen.

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Dynamik".

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