Kräftegleichgewicht
Definition
Basiswissen
Ein Boot fährt mit einer konstanten, das heißt gleich bleibenden Geschwindigkeit geradeaus. Damit befindet es sich in einem Kräftegleichgewicht: die Windkräfte sowie der Wasserwiderstand heben sich als Vektoren gedacht gegenseitig auf. Das wird hier kurz erklärt.
Definition
"Ein Kräftegleichgewicht liegt vor, wenn sich alle Kräfte, die [von außen] auf einen Körper ausgeübt werden, gegenseitig aufheben."[1]
Unterschied zum mechanischen Gleichgewicht
Für ein Kräftegleichgewicht wird nur gefordert, dass alle von außen angreifenden Kräfte als Vektoren gedacht die Summe Null ergeben. Wo am Körper die Vektoren angreifen und in welche Richtung sie dort zeigen ist nicht festgelegt. Es ist damit erlaubt, dass die Kraftlinien nicht durch einen gemeinsamen Punkt gehen. Dadurch entsteht ein resultierendes Drehmoment und der Körper erfährt dann eine Winkelbeschleunigung. Trotzdem ist er im Kräftegleichgewicht. Ein mechanisches Gleichgewicht ist ein Sonderfall von einem Kräftegleichgewicht. Die Forderung, dass sowohl ein Gleichgewicht der Kräfte und ein Gleichgewicht der Drehmomente herrscht fasst man zusammen unter dem Begriff mechanisches Gleichgewicht ↗
Unterschiede zum dritten Newtonschen Axiom
Sowohl beim dritten Newtonschen Axiom als auch bei einem Kräftegleichgewicht geht es um gleich große Kräfte, die sich gegenseitig aufheben. Denoch gibt es drei wichtige Unterschiede.
- a) Bei einem Kräftgegleichgewicht geht es immer um EINEN einzelnen Körper. An ihm greifen mehrere Kräfte von außen an, die sich aber gegenseitig aufheben. Beim dritten Newtonschen Axiom (actio gleich reactio) geht es immer um ZWEI Körper, die gegenseitig aufeinander einwirken.
- b) Ein Kräftegleichgewicht kann vorliegen, muss es aber nicht. Es gilt also nicht immer und für alle Körper. Wenn ein Kräftegleichgewicht nicht vorliegt, "gewinnt" eine der äußeren Kräfte und der Körper wird in seinem Bewegungszustand verändert. Das dritte Newtonsche Axiom hingegen gilt immer. Es gibt keine Ausnahmen.
- c) Wenn ein Kräftegleichgewicht vorliegt, dann ändert ein Körper seinen Bewegungszustand nicht. Dann gilt automatisch auch das erste der Newtonschen Axiome. Das dritte Newtonsche Axiom gilt immer. Es sagt nichts darüber aus, ob einer der beteiligten Körper oder auch beide ihren Bewegungszustand ändern oder nicht. Siehe unter erstes Newtonsches Axiom ↗
Die Idee eines Kräftegleichgewichts ist ein grundlegendes Konzept der sogenannten Statik. Die Statik ist ein Teilebiet der Mechanik. Sie beschäftigt sich mit Kräften, die nicht aus Beschleunigungen herstammen, insbesondere bei Kräften von ruhenden Gegenständen. Das klassische Anwendungsgebiet die die Baustatik (Gebäude). Das dritte Newtonsche Axiom hingegen gilt auch für beschleunigte Körper. Siehe mehr unter drittes Newtonsches Axiom ↗
Fußnoten
- [1] "Ein Kräftegleichgewicht liegt vor, wenn sich alle Kräfte, die auf einen Körper ausgeübt werden, gegenseitig aufheben." In: Dorn.Bader. Physik SII Gesamtband Gymnasium. Westermann Bildungsmedien. Braunschweig. 2023. ISBN: 978-3-14-152376-8. Dort im Kapitel "1.9 Das Wechselwirkungsprinzip". Seite 42. Siehe auch Kräftegleichgewicht ↗
- [2] Zur Definition eines Kräftegleichgewichts über ein abgeschlossenes System im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass "in einem abgeschlossenen Systeme, also in einem solchen, welches mit der Außenwelt in keiner Wechselwirkung steht, die Summe der vorhandenen Energie konstant bleiben muß." Das steht in enger Beziehung zu einem Kräftegleichgewicht: "ist eine Masse aber im Gleichgewichte, so heißt das ja nichts anderes, als daß sie aller Einwirkung von und nach außen entzogen ist. Wir werden daher erwarten müssen, daß auch ihr Energieinhalt unverändert bleibt." In: Franz Serafin Exner: Vorlesungen über die physikalischen Grundlagen der Naturwissenschaften. Deuticke, Wien 1919, OBV. Dort die "24. Vorlesung. Prinzip der virtuellen Bewegungen. Kräfte", Seite 186. Siehe auch Kräftegleichgewicht ↗
