In diesem Artikel geht es um die verschiedenen Arten von Kräften. Dabei werden die mechanischen Kräfte aufgeführt, die in der Physik und Mechanik als Grundlage gelten und beim Maschinenbaustudium von größter Bedeutung sind.

Gewichtskraft

Unter der Gewichtskraft eines Körpers versteht man die Kraft, mit der die Erdanziehung auf diesen Körper wirkt.

Je größer die Masse des Körpers, desto stärker die Anziehungskraft durch die Erde. Hinzukommt, dass bei größerer Masse größere Kraft zur Beschleunigung erforderlich ist. Besteht kein Luftwiderstand, so geschieht es, dass alle Körper, die sich im freien Fall befinden, gleich schnell Richtung Erdmittelpunkt beschleunigt werden.

Formel:

Der Wert der Gewichtskraft F_G, welche auf einen Körper der Masse mittels der Anziehungskraft des Planeten einwirkt, ist zur Erdbeschleunigung g proportional.

Gewichtskraft auf einen Körper der Masse m

Gewichtskraft = Masse x Erdbeschleunigung

F_G - Gewichtskraft [N]
m - Masse [kg]
g - Erdbeschleunigung [m/s²]

Aus dem allgemeinen Gravitationsgesetz kann abgeleitet werden, dass für den Ortsfaktor auf der Erdoberfläche näherungsweise gilt: g = 9,81 N/kg

Beispiele:

Ein Körper mit einer Masse von 1 kg besitzt auf der Erde die Gewichtskraft von

Reibungskraft

Überall dort, wo sich Körper berühren bzw. gegeneinander bewegen, treten Reibungskräfte auf. Verantwortlich dafür: Unebene Körper-Oberflächen sowie Kohäsionskräfte, welche zwischen den Molekülen der Körper wirken, die aneinander reiben.

Haftreibung

Vergrößert man geschliffene Oberflächen, wirken selbst diese wie eine Art Gebirgskette mit zahlreichen Erhebungen und scharfen Spitzen. Sobald Körper aneinander haften, verhaken sich ihre jeweiligen Spitzen ineinander. Daher verformt der Versuch, sie gegeneinander zu bewegen, diese Spitzen - so wirkt stärkerer Zugkraft noch stärkere Haft-Reibungskraft entgegen.
Je stärker zwei Körper zusammengepresst sind, desto größer die maximal mögliche Haftreibung.

Die Haftreibung wirkt, solange die beiden Körper (Reibpartner) sich nicht zueinander bewegen. Sobald die Haftreibung überwunden wird, beginnen sich die Körper zueinander zu bewegen und fallen in den Bereich der Gleitreibung.

Formel - Haftreibung:

F_R,Haft,max - Haftreibung [N]
µ_H - Haftreibungszahl [kg]
F_N - Normalkraft [N]

Die Proportionalitätskonstante bezeichnet man als Haftreibungszahl µ_H. Diese ist abhängig von Stoff und Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Körper.

Gleitreibung

Beim Bewegen zweier Körper gegeneinander schleifen deren raue Oberflächen lediglich übereinander. Im Gegensatz zur Haftreibung verhaken sich die Körper hier nicht komplett ineinander.

Die Gleitreibungskraft F_R,Gleit ist - ebenso wie die Haftreibungskraft - abhängig von der anpressenden Normalkraft F_N (zumeist die Gewichtskraft) sowie der Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Körper.

Formel - Gleitreibung:

F_R,Gleit,max - Gleitreibung [N]
µ_G - Gleitreibungszahl [kg]
F_N - Normalkraft [N]

Immer ist hier die Gleitreibungszahl kleiner als die Haftreibungszahl µ_H.

Reibkraft - Haftreibung & Gleitreibung

Rollreibung

Wann können Unebenheiten der Oberflächen sehr viel einfacher überwunden werden? Dann, wenn ein Körper auf dem anderen abrollt. Bei gleicher, zusammenpressender Kraft bzw. der Gewichtskraft ist die Rollreibungskraft deutlich kleiner als die Gleitreibungskraft.

Formel - Rollreibung:

F_R - Rollreibung [N]
c_R – Rollwiderstandskoeffizient [kg]
F_N - Normalkraft [N]

Reibkraft - Rollreibung

Strömungswiderstand

Wenn sich ein Körper durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium bewegt, muss er dabei immer einen Strömungswiderstand wie etwa Wasser- oder Luftwiderstand überwinden. Die Größe der Widerstandskraft wird hier beeinflusst von der Dichte ρ des Mediums, das der Körper durchquert, seiner Querschnittsfläche, dem Quadrat seiner Geschwindigkeit v², aber auch dem so genannten "Widerstandsbeiwert" c_w, welcher beziffert, wie sich die jeweilige Körperform auswirkt.

Näherungsweise gilt etwa für die Luftwiderstandskraft F_L die folgende Formel:

F_L - Luftwiderstand [N]
c_w - Widerstandsbeiwer, einheitslos
A – Querschnittsfläche [m²]
ρ - Dichte [kg/m³]
v - Geschwindigkeit [m/s]

Spannkraft bzw. Federkraft

Drücken Sie beispielsweise einen elastischen Körper wie eine Schraubenfeder zusammen oder ziehen Sie diesen auseinander, wirkt in dieser Feder eine jeweils entgegengesetzte Kraft: Diese Kraft versucht, die Feder in Richtung ihrer Ursprungslänge zu formen.

Die Schraubenfeder wird also um eine Wegstrecke s gestaucht bzw. gedehnt. Je weiter diese Wegstrecke s, desto stärker die rückstellende Spannkraft F_S der Schraubfeder.

Formel - Spannkraft/Federkraft:

F_S - Spannkraft / Federkraft [N]
k – Federkonstante
s - Federweg [m]

Hierbei ist die Federkonstante k sowohl von Form als auch Material der Schraubfeder - bzw. des elastischen Körpers - abhängig.

Federkraft berechnen

Radialkraft

Wegen seiner Masse bewegt sich ein Körper immer entlang geradliniger Bahn, vorausgesetzt, keine Kraft wirkt auf ihn ein. Daraus folgt, dass eine kreisförmige Bewegung nur dann realisiert werden kann, wenn ein Körper durch eine Kraft auf einer Kreisbahn gehalten wird, welche diesen also fortlaufend zum Mittelpunkt des Kreises hin beschleunigt. Der Name dieser Kraft: Radialkraft bzw. Zentripetalkraft.

Die Radialkraft / Zentripetalkraft

Weitere Einzelheiten über die Berechnung der verschiednen mechanischen Kräfte und Arten der Kraft.