Kraft anschaulich
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: force Kategorie: Level 0 Selbststudium_anschaulich Theorie Mechanik
Dies ist eine besonders anschauliche Erläuterung der Kraft in der Strukturmechanik.
In Skizzen und Zeichnungen wird eine Kraft üblicherweise mit F bezeichnet und als Pfeil dargestellt.
Das Messen einer Kraft erfolgt indirekt, zum Beispiel wie hier rechts dargestellt. Es wird eine Feder verwendet, die links ohne Last gezeigt ist, das Ende der Feder ist bei Position 0. Im belasteten Zustand (rechts daneben dargestellt) beträgt die Längenänderung der Feder ΔL. Daraus wird auf die Größe der Kraft F geschlossen. In einer Federwaage ist dieses Prinzip praktisch umgesetzt.
Man spricht von Druckkraft oder Zugkraft, wenn zusätzlich die Richtung einer Kraft beschrieben werden soll.
Wichtig bei der Idealisierung ist das Freischneiden und die Bestimmung der Schnittgrößen. Dadurch werden die Kräfte erkennbar, die an einem Bauteil wirken. (Vorsicht: manche Kräfte, z.B. magnetische Kräfte, werden nicht direkt durch Material, sondern durch Felder eingeleitet.)
Merke: Eine Kraft ist eine vektorielle Größe und charakterisiert durch einen Zahlenwert (Betrag), einen Angriffspunkt und eine Wirkungsrichtung.
Beispiel für eine Zugkraft
Die Abbildung rechts zeigt einige Bücher, die von einer Hand gehalten werden. Um die Kraft zu erkennen, die hier wirkt, wird zunächst auf die Masse der Bücher hingewiesen. Diese Masse ist hier m = 1 [kg]. Zusammen mit der Erdbeschleunigung von g = 9,81 [m/s²] - "unten" im Sinne dieser Erdanziehung ist gekennzeichnet - ergibt sich damit eine Kraft von
F = m * a = 1 * 9,81 [N] = 9,81 [N]
In der Prinzipskizze ist diese Kraft eingezeichnet. Sie greift im Bereich der Bücher an. Der Arm und eine obere Begrenzung sind ebenfalls zu erkennen.
Die obere Begrenzung (schraffiert dargestellt) ist notwendig, um den Arm zu halten. Wenn Sie sich den Arm durchgeschnitten denken (wikipedia:Freischneiden), dann werden die Bedingungen am Arm und an der oberen Begrenzung erkennbar. Im rechten Teilbild sieht man diese getrennte Anordnung. Hier sind zwei Kräfte zusätzlich dargestellt, die als Schnittgrößen bezeichnet werden:
- am Arm wirkt am oberen Ende eine Kraft nach oben und
- an der oberen Begrenzung eine gleich große Kraft nach unten.
In dieser Gegenüberstellung wird deutlich: beide zusätzliche Kräfte heben sich in der Summe auf, wir haben nichts verändert, sondern wir haben nur durch das Freischneiden verdeutlicht, dass dort "innere" Kräfte wirken.
Die Kraft hier in diesem Beispiel kann auch als Zugkraft bezeichnet werden. Dabei wird die Richtung der Kraft und die Richtung des Armes berücksichtigt im Sinne von: "diese Belastung zieht am Arm".
Beispiel für eine Druckkraft
Nun drehen wir die Anordnung um. Der Arm ist unten aufgestützt und trägt oben in der Hand die Bücher. Die Kraft, die durch die Masse der Bücher zusammen mit der Erdanziehung entsteht, greift im Bereich der Bücher an. Sie drückt den Arm nach unten.
Die untere Auflage (schraffiert dargestellt) ist notwendig, um den Arm zu halten und zu stützen. Wenn Sie sich den Arm auch hier wieder durchgeschnitten denken (wikipedia:Freischneiden), dann werden die Bedingungen am Arm und an der unteren Auflage erkennbar. Im rechten Teilbild sieht man die zwei zusätzlichen Kräfte, die als Schnittgrößen bezeichnet werden:
- am Arm wirkt am unteren Ende eine Kraft nach oben und
- an der Auflage eine gleich große Kraft nach unten.
Wieder erkennt man hier: beide zusätzliche Kräfte heben sich in der Summe auf, wir haben nichts verändert, sondern wir haben nur durch das Freischneiden verdeutlicht, dass dort "innere" Kräfte wirken.
Die Kraft hier in diesem Beispiel kann auch als Druckkraft bezeichnet werden. Dabei wird die Richtung der Kraft und die Richtung des Armes berücksichtigt im Sinne von: "diese Belastung drückt auf den Arm".
Simulation
In der Simulation ist eine Kraft als eine Last der Strukturmechanik anzusehen.
