Mechanik

Kräfte addieren und zerlegen

Wie man Kräfte als Pfeile addiert, subtrahiert und in senkrechte Komponenten zerlegt und woran man ein Kräftegleichgewicht erkennt.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die resultierende Kraft ist die Vektorsumme aller an einem Punkt angreifenden Kräfte, zeichnerisch die Diagonale des Kräfteparallelogramms.
  • Senkrechte Kräfte addiert man nach Pythagoras: \(F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}\), bei drei Richtungen mit \(F_z^2\) als drittem Summanden; zwei gleiche Kräfte \(F_0\) ergeben \(\sqrt{2}\,F_0\).
  • \(\vec F_1 - \vec F_2 = \vec F_1 + (-\vec F_2)\) zeigt bei gemeinsamem Ursprung von der Spitze von \(\vec F_2\) zur Spitze von \(\vec F_1\).
  • Im Kräftegleichgewicht ist die Vektorsumme null, das Krafteck ist geschlossen und hat einen einheitlichen Umlaufsinn.
  • Bei senkrechter Zerlegung gilt \(F_x = F\cos\alpha\), \(F_y = F\sin\alpha\) und \(F_y = F_x\tan\alpha\), mit \(\alpha\) zwischen \(\vec F\) und \(\vec F_x\).

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Worum es geht

Kräfte haben eine Richtung. Deshalb addiert man sie als Vektoren und nicht als bloße Zahlen. Dieses Handwerkszeug brauchst du überall in der Mechanik, von der Gewichtskraft an der schiefen Ebene bis zu Seilkräften und Zentrifugen.

Kraft als vektorielle Größe

Eine Kraft verformt einen Körper oder ändert seinen Bewegungszustand. Ihre Einheit ist das Newton: \(1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg\,m/s^2}\). Vollständig beschrieben ist eine Kraft erst mit drei Angaben:

  • Betrag: wie stark sie wirkt, in N
  • Richtung: wohin sie wirkt
  • Angriffspunkt: wo sie am Körper ansetzt

Man zeichnet sie deshalb als Kraftpfeil. Die Länge steht für den Betrag, die Spitze für die Richtung, der Fußpunkt für den Angriffspunkt. Mit Kraftpfeilen rechnet man wie mit allen Vektoren. Die Regeln kennst du schon von der Überlagerung von Geschwindigkeiten.

Resultierende Kraft

Greifen mehrere Kräfte an einem Punkt an, wirken sie wie eine einzige Kraft. Diese resultierende Kraft ist die Vektorsumme aller Einzelkräfte. Zeichnerisch ergänzt man zwei Pfeile mit gemeinsamem Fußpunkt zum Kräfteparallelogramm. Seine Diagonale vom Fußpunkt aus ist die Summe \(\vec F_1 + \vec F_2\).

Zwei Kraftpfeile aus einem Punkt, zu Parallelogramm bzw. Rechteck ergänzt, Diagonale als Resultierende hervorgehoben

Kräfteparallelogramm: Bei senkrechten Kräften wird es zum Rechteck, die Resultierende ist die Diagonale.

Stehen die Kräfte senkrecht aufeinander, wird das Parallelogramm zum Rechteck. Die Diagonale ist dann die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks. Der Satz des Pythagoras liefert den Betrag:

\[F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}\]

Bei drei zueinander senkrechten Kräften kommt ein dritter Summand hinzu: \(F = \sqrt{F_x^2 + F_y^2 + F_z^2}\).

💡 Merke

Beträge senkrechter Kräfte addiert man quadratisch, nie einfach: \(3\,\mathrm{N}\) und \(4\,\mathrm{N}\) ergeben \(5\,\mathrm{N}\), nicht \(7\,\mathrm{N}\). Zwei gleich große senkrechte Kräfte \(F_0\) ergeben \(\sqrt{2}\,F_0\).

Ein Beispiel: \(6\,\mathrm{N}\) und \(8\,\mathrm{N}\) ziehen senkrecht an einem Körper mit \(4\,\mathrm{kg}\). Die Resultierende beträgt \(10\,\mathrm{N}\). Der Körper beschleunigt in ihrer Richtung mit \(a = F/m = 2{,}5\,\mathrm{m/s^2}\). Drei senkrechte Kräfte von \(2\), \(3\) und \(6\,\mathrm{N}\) ergeben \(\sqrt{49}\,\mathrm{N} = 7\,\mathrm{N}\). Die Gleichgewichtskraft hebt die Resultierende auf. Sie hat denselben Betrag und zeigt in die Gegenrichtung.

Vektordifferenz

Die Differenz zweier Kräfte führt man auf die Addition zurück. Man kehrt \(\vec F_2\) um und addiert diesen Gegenvektor: \(\vec F_1 - \vec F_2 = \vec F_1 + (-\vec F_2)\). Gleichwertig zeichnet man beide Pfeile aus einem Ursprung. Der Differenzpfeil führt dann von der Spitze von \(\vec F_2\) zur Spitze von \(\vec F_1\).

Zwei Vektorskizzen, die denselben Differenzvektor auf unterschiedliche Weise konstruieren

Zwei Konstruktionen für \(\vec F_1 - \vec F_2\) mit identischem Ergebnis.

Vertauscht man die Reihenfolge, dreht sich der Pfeil um: \(\vec F_2 - \vec F_1\) ist der Gegenvektor zu \(\vec F_1 - \vec F_2\). Kehrt man in einer Summe einen einzelnen Vektor um, ändert sich die Summe um das Doppelte dieses Vektors. Beispiel auf einer Linie: \(+5\,\mathrm{N}\), \(+3\,\mathrm{N}\) und \(-2\,\mathrm{N}\) ergeben \(+6\,\mathrm{N}\). Dreht man die \(+3\,\mathrm{N}\) um, sinkt die Summe um \(6\,\mathrm{N}\) auf null.

Kräftegleichgewicht

Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe, wenn die Vektorsumme aller angreifenden Kräfte null ist. Dieser Zustand heißt Kräftegleichgewicht oder statisches Gleichgewicht. Warum ohne Resultierende keine Beschleunigung entsteht, erklären die Newton’schen Axiome.

Zeichnerisch prüft man das mit dem Krafteck. Man hängt alle Pfeile Spitze an Fuß aneinander. Endet der letzte Pfeil am Fuß des ersten, ist das Krafteck geschlossen und die Summe null. Dazu müssen alle Pfeile im selben Umlaufsinn laufen. Zeigt ein Pfeil gegen diesen Sinn, bleibt eine Resultierende übrig, obwohl die Figur geschlossen aussieht.

Zwei Kraftdreiecke, links alle Pfeile im gleichen Umlaufsinn, rechts ein Pfeil umgekehrt

Nur bei einheitlichem Umlaufsinn ist die Vektorsumme null.

Zerlegung in Komponenten

Die Zerlegung kehrt die Addition um. Eine Kraft \(\vec F\) wird in zwei senkrechte Kraftkomponenten \(\vec F_x\) und \(\vec F_y\) aufgeteilt. \(\vec F\) ist dann die Diagonale eines Kräfterechtecks. Mit \(\alpha\) als Winkel zwischen \(\vec F\) und \(\vec F_x\) gelten die Winkelfunktionen am rechtwinkligen Dreieck:

Gesucht Beziehung Grund
\(F_x\) \(F\cos\alpha\) Ankathete von \(\alpha\)
\(F_y\) \(F\sin\alpha\), also \(\sin\alpha = F_y/F\) Gegenkathete von \(\alpha\)
\(F_y\) aus \(F_x\) \(F_x\tan\alpha\) Gegenkathete durch Ankathete

Kraftpfeil schräg nach oben rechts, zerlegt in horizontale und vertikale Komponente, Winkel alpha an der Horizontalen

Senkrechte Zerlegung: \(|\vec F_x| = |\vec F|\cos\alpha\), \(|\vec F_y| = |\vec F|\sin\alpha\).

Beispiel: \(F = 10\,\mathrm{N}\) und \(\alpha = 30^\circ\) ergeben \(F_x = 8{,}66\,\mathrm{N}\) und \(F_y = 5\,\mathrm{N}\). Die Probe mit Pythagoras liefert wieder \(10\,\mathrm{N}\).

Die Komponenten müssen vektoriell stets die Gesamtkraft ergeben. Kennt man die Gewichtskraft und eine schräge Komponente, findet man die fehlende über das Parallelogramm. Sie bildet mit der bekannten Komponente die Seiten, deren Diagonale die Gewichtskraft ist: \(\vec F_2 = \vec F_G - \vec F_1\). Angewendet wird das an der schiefen Ebene.

Quiz

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Aussage 1

Zeichnet man \(\vec F_1\) und \(\vec F_2\) aus einem gemeinsamen Ursprung, führt der Pfeil von der Spitze von \(\vec F_2\) zur Spitze von \(\vec F_1\) genau \(\vec F_1 - \vec F_2\) dar.

Denn \(\vec F_2\) plus dieser Pfeil ergibt \(\vec F_1\). Der umgekehrte Pfeil wäre \(\vec F_2 - \vec F_1\).

Aussage 2

Ist \(\alpha\) der Winkel zwischen \(\vec F\) und der Komponente \(\vec F_x\), so gilt für die senkrechte Komponente \(F_y = F_x \tan\alpha\).

Im Kräfterechteck ist \(F_y\) die Gegenkathete und \(F_x\) die Ankathete von \(\alpha\), also \(\tan\alpha = F_y/F_x\).

Aussage 3

Zwei senkrecht aufeinander stehende Kräfte von \(5\,\mathrm{N}\) und \(12\,\mathrm{N}\) ergeben eine Resultierende von \(17\,\mathrm{N}\).

Senkrechte Kräfte addiert man quadratisch: \(\sqrt{25 + 144}\,\mathrm{N} = 13\,\mathrm{N}\).

Aussage 4

Bilden drei Kraftpfeile ein geschlossenes Dreieck, ist ihre Vektorsumme unabhängig von den Pfeilrichtungen null.

Die Summe ist nur null, wenn alle Pfeile im selben Umlaufsinn Spitze an Fuß liegen. Zeigt einer dagegen, bleibt eine Resultierende.

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