Normalkraft
Physik
Definition
Als Normalkraft bezeichnet man eine Kraft, die senkrecht von einer Fläche weg auf ein Objekt auf der Fläche wirkt. Senkrecht heißt hier: im 90°-Winkel. Hier steht die Formel zur Berechnung und ein Anwendungsfall.
Entstehung und Wirkung der Normalkraft
Liegt ein Gegenstand auf einer Ebene und wirkt auf diesen Gegenstand eine Schwerkraft, zum Beispiel die Erdanziehungskraft, dann drückt dieser Gegenstand auf den Untergrund. Nach dem dritten Newtonschen Axiom wirkt der Untergrund dann mit einer Gegenkraft auf den Gegenstand zurück, sodass dieser nicht in den Untergrund eindringen kann. Dieser Kraft vom Untergrund hin zum Gegenstand ist die sogenannte Normalkraft. Die Normalkraft beeinflusst vor allem den Effekt einer Haft- und Rollreibung zwischen dem Gegenstand und seiner Auflagefläche. Je steiler die Fläche gestellt ist, desto geringer ist die Normalkraft. Am größten ist die Normalkraft bei einer waagrechten Fläche, am kleinsten (nämlich 0 Newton) ist sie bei einer senkrechten Fläche, etwa einer (Steil)Wand.
Berechnung der Normalkraft mit schiefer Ebene
F = m·g·cos(α) - dabei ist F die gesuchte Normalkraft, m die Masse des Objektes auf einer schiefen Ebene, g der Ortsfaktor, z. B. 9,81 N/kg, und α ist der Steigungs- oder Neigungswinkel alpha.
- F ist die Normalkraft [hier gesucht] ↗
- m ist die Masse [des Objektes auf der Ebene] ↗
- g ist der Ortsfaktor [oft 9,81 N/kg] ↗
- α ist der Neigungswinkel [der Ebene] ↗
- cos ist der Cosinus [Trigonometrie] ↗
Der Cosinus und die Normalkraft
Der Cosinus, auch Kosinus geschrieben, ist eine sogenannte trigonometrische Funktion. Kennt man den Neigungswinkel einer schiefen Ebene, dann gibt der Cosinus sozusagen den Anteil einer Kraft an der Gewichtskraft eines Objektes, der senkrecht zur Auflage wirkt. Um den passenden Cosinuswert zu einem Winkel zu bestimmen, benutzt man zum Beispiel eine Cosinustabelle Grad ↗
Rechenbeispiel zur Normalkraft
Angenommen man hat eine schiefe Ebene mit einer Hangneigung von etwa 20 Grad. Zum Vergleich: die steilste Straße der Welt ist die Baldwin Straße in Neuseeland mit 19,3° Neigung. Und angenommen man fährt auf dieser Straße mit einem Fahhrad bergauf oder bergab. Das Objekt im Sinne der Physik ist dann das Fahhrad mit dem Fahrer zusammen. Nehmen wir die Gesamtmasse mit 100 kg an. Dann kann man die Normalraft F berechnen über F = 100 kg · 9,81 N/kg · cos(20°). Das Ergebnis ist ungefähr 922 Newton.
Die Normalkraft und der Rollwiderstand
Fährt man mit einem Fahrrad über eine feste ebene Betonfläche muss man sehr viel weniger stark treten wie bei einer Fahrt mit derselben Geschwindigkeit über eine ebenfalls ebene Gummimatte oder - noch sehr viel extremer - über eine ebene sandige Fläche. Interessant ist auch die Beobachtung, dass man mit prall gefüllten Fahrradreifen sehr viel weniger Kraft und Energie nötig hat als mit schwach aufgepumpten Reifen. Um Energie und Kraft zu sparen, möchte man den Rollwiderstand oft möglichst klein halten. Fährt man auf einer schiefen Ebene, geht der Rollwiderstand deutlich zurück, je steiler die Ebene, desto weniger Rollwiderstand. Wesentlich für den Einfluss der Steilheit der Fahrfläche ist die sogennante Normalkraft [in Newton] ↗
Die Normalkraft und die Haftreibung
Die Haftreibung ist ein anderer Effekt und hat andere Ursache als die Rollreibung (Rollwiderstand): liegt ein Gegenstand sicher ohne zu Rutschen auf einer schiefen Ebene, ist die Her Haftreibung zwischen dem Gegenstand und der Ebene ausreichend groß, um den Gegenstand fest zu halten. Die Normalkraft drückt ihn sozusagen auf die Fläche und hält ihn daran fest. Stellt man die Fläche nun immer steiler, wird der Gegenstand irgendwann ins Rutschen kommen. Mit der Steilheit geht die Normalkraft zurück, irgendwann genügt sie nicht mehr, um den Gegenstand ausreichend stark an die Fläche zu drücken. Siehe auch Haftreibung ↗
Ein Extremfall: Steilwandfahrer
Auf Jahrmärkten stellen sogenannte Steilwandfahrer ihre Kunst zur Schau: mit einem Motorrad fahren die Artisten an einer senkrechten Fläche im Kreis. Wieder ist die Normalkraft die Kraft, die von der Fläche (Steilwand) auf das Objekt (Motorrad mit Fahrer) wirkt. Ursache der Normalkraft ist jetzt allerdings nicht die Schwerkraft, deren Anteil bei einer senkrechten Fläche ja Null Newton ist. Ursache der Normalkraft ist jetzt die Zentrifugalkraft des ausreichend schnellen Motorradfahrers. Diese Zentrifugalkraft wirkt nach außen, die Steilwand wirkt mit einer Gegenkraft, der Zentripetalkraft nach innen hin zurück. Diese Zentripetalkraft ist auch die Normalkraft. Siehe auch Steilwand (Jahrmarkt) ↗
