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Kräfte und Energien: Grundbegriffe der Physik
Was ist Kraft?
Eine Kraft erkennt man nur an ihrer Wirkung. In unserem Alltag erfahren wir Kräfte, indem sie die Geschwindigkeit oder die Bewegungsrichtung von Gegenständen verändern. Man spricht von der Kraft eines Automotors, der Schwerkraft, von Reibungskräften und von der Superwaschkraft. Alle diese Kräfte bewirken etwas: schnellere Fahrt, den Fall von Obst oder eine Trennung von Schmutz und Stoff.
Die Beschleunigung eines Körpers ist umso stärker, je stärker die angreifende Kraft ist. Andererseits bewirkt die gleiche Kraft bei einem schweren Körper eine schwächere Beschleunigung als bei einem leichten. Dass ein Körper beim Einwirken einer Kraft nicht zerstört wird, verhindern andere Kräfte, etwa diejenigen die zwischen Atomen herrschen.
Gemessen werden Kräfte u. a. durch die Wirkung, die sie auf Federn ausüben. Diese werden gedehnt oder gestaucht, je nachdem, wie die Kraft auf die Feder wirkt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den inneren Kräften in der Feder und der äußeren Kraft einstellt. Auch die Waage beruht auf diesem Prinzip.
Die moderne Physik führt solche alltäglichen Kräfte auf die Wirkung von Kräften im Inneren von Molekülen und Atomen und zwischen Elementarteilchen zurück: Wenn zwei solche Teilchen aufeinander eine Kraft ausüben, dann tauschen sie untereinander spezielle sog. Wechselwirkungsteilchen aus (dass die sich in der Regel mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, sei nur erwähnt). Eine abstoßende Kraft zum Beispiel kann man sich wie die Kraft vorstellen, die zwei Menschen spüren, die sich eine schwere Kugel zuwerfen: Sowohl beim Abwerfen als auch beim Fangen erfahren die beiden Menschen je eine Kraft, die sie auseinander treibt.
Wie viele Kräfte gibt es?
Zurzeit kennt die Physik vier verschiedene Grundkräfte: die Gravitation, die Elektromagnetische Kraft, die Schwache und die Starke (Kern-)Kraft.
Die Gravitation (Schwerkraft), die schwächste aller Kräfte, wirkt zwischen Massen. Sie wirkt als einzige Kraft stets anziehend – es gibt keine »Antigravitation« (höchstens in der Science Fiction). Daher ist sie bei großen Entfernungen, z. B. im Weltall, das dominierende Phänomen. Das für die Gravitation notwendige Wechselwirkungsteilchen, das Graviton, konnte allerdings noch nicht gefunden werden. Der Grund: Die Entfernungen, über die wir Menschen bislang Messungen vornehmen können und auch die Massen, die wir dabei aufeinander wirken lassen, sind sehr klein, zu klein, als dass heutige Geräte die minimale Wirkung von Gravitonen feststellen könnten.
Die Elektromagnetische Kraft wirkt zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Verglichen mit der Gravitation ist sie sehr stark. Allerdings existieren sowohl abstoßende Kräfte (zwischen gleichnamigen Ladungen) als auch anziehende Kräfte (bei ungleichnamigen Ladungen). Sie bewirkt den Zusammenhalt – oder das Trennen – von Molekülen und somit alle Reaktionen der Chemie.
Die beiden weiteren Kräfte unterteilen sich in Schwache und Starke (Kern-)Kraft. Sie treten nur bei äußerst kleinen Abständen auf und liegen unter anderem radioaktiven Zerfallsprozessen zugrunde. Wichtig sind sie in der Theorie der Elementarteilchen.
Kann man Energie vernichten?
Nein, denn das Besondere an Energie ist, dass sie zwar in vielen verschiedenen Formen auftritt – z. B. als Rotationsenergie, Bewegungsenergie, Reibungsenergie, Wärmeenergie usw. –, dass diese sich aber nur ineinander umwandeln lassen, sie können nicht verloren gehen. Diese Erkenntnis, die sog. Energieerhaltung, ist eines der wichtigsten Naturgesetze.
In jedem Körper stecken enorme Energiemengen: Wenn sich beispielsweise ein Kohlenstoffkügelchen mit einer Masse von einem Gramm einmal pro Sekunde um sich selbst dreht, hat es eine Rotationsenergie von 2 J (Joule) oder 0,002 kJ (Kilojoule). Wird dieses Gramm Kohlenstoff bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck um zehn Grad erwärmt, so wird ihm eine Wärmeenergie von etwa 0,007 kJ zugeführt.
Bringt man das Gramm Kohle in den dritten Stock eines Gebäudes, das heißt auf zehn Meter Höhe, so gewinnt es eine Gravitationsenergie von etwa 100 J oder 0,1 kJ. Wenn das Kohlestück von dort auf den Erdboden fällt, wird diese Energie während des Fluges in Bewegungsenergie umgewandelt. Am Boden geht sie durch den Aufprall in Deformations- (Verformungs-) und Wärmeenergie über.
Wenn man das eine Gramm Kohle dagegen verbrennt, so wird eine (chemische) Energie von 36 kJ frei, also ein Vielfaches der im letzten Absatz angesprochenen Schwereenergie. Und wäre es möglich, die gesamte Masse des Kohlekörnchens nach Einsteins berühmter Formel E = mc² in Strahlungs- oder Wärmeenergie umzuwandeln, so ergäbe sich die unvorstellbar große Energiemenge von 9 • 1010 kJ. Damit könnte der Bedarf an elektrischer Energie einer Millionenstadt wie Berlin etwa 23 000 Jahre lang gedeckt werden!
Wussten Sie, dass …
zwei gleich große Kräfte nicht im Gleichgewicht stehen müssen? Wenn sie teilweise in dieselbe Richtung wirken, erzeugen sie eine Verschiebung, wenn sie an zwei verschiedenen Punkten angreifen, rufen sie eine Drehung hervor.
man nur als Mitfahrer die Fliehkraft beispielsweise eines Karussells wahrnehmen kann, dass ein außen stehender Zuschauer sie aber nicht spürt?
die Gewichtskraft eines Gegenstands vom Ort abhängt? Man kann diese (auf der Erde allerdings nur winzigen) Unterschiede nutzen, um Lagerstätten von Bodenschätzen zu finden.
Hieß Energie schon immer Energie?
Nein. Der Begriff wurde im 18. Jahrhundert aus dem Französischen entlehnt, und er bedeutet dort wie hier ursprünglich so viel wie »wirkende Kraft« und kann auf das griechische »ergos« (Arbeit) zurückgeführt werden. Damit wollte man die Energie begrifflich von der Kraft unterscheiden. Was genau unter Energie und Kraft zu verstehen ist, klärte sich erst im Lauf des 19. Jahrhunderts. Das Werk von Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 – 1894) über die Energieerhaltung aus dem Jahre 1847 trug zum Beispiel noch den Titel »Über die Erhaltung der Kraft«.
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