Stellen Sie sich vor, Sie sitzen ruhig auf einem Stuhl oder stehen auf dem Boden. Selbst wenn Sie nicht darüber nachdenken, wird eine Kraft erzeugt, die verhindert, dass Sie fallen oder durch den Boden oder Stuhl gehen.
Haben Sie sich jemals gefragt, warum ein Gegenstand, den Sie auf einem Tisch liegen lassen, nicht hindurchgeht und auf den Boden fällt? Hier kommt in unserem täglichen Leben eine „besondere“ Kraft ins Spiel: die Normalkraft .
In der Physik ist dies eine der häufigsten und wesentlichsten Kräfte, die jedoch oft unbemerkt bleibt. Der Name ist zwar nicht sehr einprägsam, aber ohne ihn wären unsere täglichen Erfahrungen ganz anders.
Im Folgenden erkläre ich, was genau diese Kraft ist, wie sie funktioniert und warum es so wichtig ist, dass die Dinge, uns eingeschlossen, an ihrem Platz bleiben.
Was ist Normalkraft?
Definition
Die Normalkraft ist die Kontaktkraft , die eine Oberfläche auf einen aufliegenden Gegenstand ausübt. Diese Kraft entsteht als Reaktion auf andere Kräfte, die auf das Objekt wirken, beispielsweise auf sein Gewicht aufgrund der Schwerkraft, und ist dafür verantwortlich, dass das Objekt die Oberfläche nicht durchdringt oder darin versinkt.
Kurz gesagt ist diese Kraft die Reaktion der Oberfläche, die den auf das Objekt ausgeübten Kräften entgegenwirkt und es im Gleichgewicht hält.
Grafische Erklärung
Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf dem Boden oder sitzen auf einem Stuhl. In beiden Fällen ruhen Sie auf einer Oberfläche, oder?
Nun, diese Oberfläche bewirkt etwas, was wir mit bloßem Auge nicht bemerken: Sie drückt gegen uns nach oben, um uns im Gleichgewicht zu halten. Dieser Aufwärtsschub ist das, was wir Normalkraft nennen .
Es handelt sich um eine Kraft, die senkrecht (im rechten Winkel) auf die Oberfläche wirkt, auf der ein Objekt getragen wird. Diese Kraft ist wie die Reaktion der Oberfläche auf das Gewicht des darüber liegenden Objekts. Und das Gleiche passiert, wenn wir ein Buch auf dem Tisch liegen lassen oder unsere Hand auf eine Wand legen.
Einheiten
Die Normalkraft wird wie jede andere Kraft in Newton (N) gemessen.
Ein Newton ist die Standardmaßeinheit für Kraft im Internationalen Einheitensystem (SI) und wird als die Kraft definiert, die erforderlich ist, um eine 1-Kilogramm-Masse auf eine Geschwindigkeit von 1 Meter pro Quadratsekunde zu beschleunigen.
Ein einfaches Beispiel
Ich gebe Ihnen ein Beispiel, das Ihnen bekannt vorkommen wird: Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Park, sitzen auf einer Bank und bemerken, wie die Bank Sie stützt, ohne dass Sie zu Boden fallen. Was passiert?
Die Bank übt eine nach oben gerichtete Kraft aus, die Normalkraft , um der nach unten gerichteten Kraft entgegenzuwirken, die die Schwerkraft auf Sie ausübt, also Ihr Gewicht.
Wenn Sie also sitzen, wirken zwei Hauptkräfte:
- Ihr Gewicht , also die Kraft, die die Schwerkraft nach unten ausübt.
- Die Normalkraft , die die Reaktion auf das Hochdrücken der Bank darstellt.
Diese beiden Kräfte kompensieren sich gegenseitig und deshalb fallen Sie nicht zu Boden oder überqueren die Bank. Im Grunde ist also die Normalkraft dafür verantwortlich, dass wir nicht in Dingen versinken!
Warum heißt es „normal“?
Das Wort „normal“ hat in diesem Fall nichts mit dem zu tun, was wir täglich verwenden (z. B. wenn wir sagen „das ist normal“ oder „das ist seltsam“). „Normal“ bedeutet hier senkrecht .
Es ist ein mathematischer Begriff, den wir in der Physik verwenden, um eine bestimmte Richtung zu bezeichnen, die einen 90-Grad-Winkel mit einer Oberfläche bildet.
Wenn wir also „Normalkraft“ sagen, sprechen wir von einer Kraft, die immer in diese Richtung zeigt, nach außen und senkrecht zur Oberfläche .
Wie genau funktioniert es?
Nachdem wir nun die Grundlagen verstanden haben, wollen wir uns etwas genauer mit der Funktionsweise der Normalkraft befassen. Diese Kraft hat keinen festen Wert . Es ist nicht so, dass ich immer mit der gleichen Intensität hochdrücke. Sein Wert hängt von mehreren Faktoren ab, einer der wichtigsten ist das Gewicht des Objekts .
Stellen Sie sich vor, Sie lassen ein Buch auf einen Tisch fallen. Die Kraft, die das Buch auf den Tisch ausübt, ist das Gewicht des Buches, also die nach unten ziehende Schwerkraft. Als Reaktion darauf übt der Tisch eine nach oben gerichtete Kraft aus, deren Größe dem Gewicht entspricht.
Wenn das Buch 2 Kilogramm wiegt, drückt der Tisch mit einer Kraft nach oben, die dem Gewicht des Buches entspricht. Wenn Sie jedoch weitere Bücher darauf legen, muss die vom (normalen) Tisch ausgeübte Kraft zunehmen, um das zusätzliche Gewicht weiterhin zu tragen.
Es ist zu berücksichtigen, dass, wenn neben der Gewichtskraft noch andere Kräfte wirken, diese auch in die Normalkraft eingreifen. Wenn wir beispielsweise das Buch mit der Hand nach unten drücken, ist die Normalkraft die Summe aus dem Gewicht plus der Kraft, die wir nach unten ausüben.
Berechnung der Normalkraft mit Formeln
Wir unterscheiden zwei Sonderfälle: wenn sich das Objekt auf einer horizontalen Fläche befindet und wenn es auf einer schiefen Ebene liegt.
Berechnung auf einer horizontalen Fläche
Die Grundformel zur Berechnung der Normalkraft in Situationen, in denen sich das Objekt auf einer horizontalen Fläche ohne Neigungen oder zusätzliche Kräfte befindet, ist recht einfach:
Fn = m⋅g
Wo:
- m ist die Masse des Objekts in Kilogramm (kg).
- g ist die Erdbeschleunigung, die auf der Erde etwa 9,8 m/s 2 beträgt .
Wenn Sie beispielsweise einen Gegenstand haben, der 10 kg wiegt, wäre sein Gewicht:
Gewicht=10 kg⋅9,8 m/s 2 =98N
Und die Normalkraft würde ebenfalls 98 Newton (N) betragen, da die Oberfläche eine gleiche und entgegengesetzte Kraft ausüben muss, um das Objekt im Gleichgewicht zu halten.
Berechnung auf einer schiefen Ebene
Sehen wir uns nun an, wie es berechnet wird, wenn sich ein Objekt auf einer schiefen Ebene befindet . Dies ist etwas komplizierter als auf einer ebenen Fläche, da nicht die gesamte Kraft des Objektgewichts direkt auf die Oberfläche wirkt, da ein Teil dieser Kraft am Hang entlang „gleitet“.
Wenn Sie ein Objekt auf einer geneigten Fläche (z. B. einer Rampe oder einem Hügel) platzieren, wirkt sein Gewicht aufgrund der Schwerkraft immer noch nach unten, zerfällt jedoch in zwei Komponenten:
- Eine Komponente parallel zur geneigten Fläche: Dies ist der Teil des Gewichts, der den Gegenstand entlang der Schräge „nach unten drückt“, weshalb Gegenstände auf einer Rampe rutschen können.
- Eine Komponente senkrecht zur geneigten Fläche: Es ist der Teil des Gewichts, der direkt gegen die Rampe „drückt“ und die Normalkraft erzeugt .
Mal sehen, wie es in diesem Fall berechnet wird.
Gewichtszerlegung auf einer schiefen Ebene
Um die Normalkraft auf einer schiefen Ebene zu berechnen, müssen wir zunächst die Schwerkraft in die beiden zuvor erwähnten Teile zerlegen: einen parallelen und einen senkrechten.
Wenn der Neigungswinkel der Rampe θ ist (der Winkel zwischen der geneigten Oberfläche und dem ebenen Boden), können wir jede dieser Komponenten mithilfe der Trigonometrie berechnen.
Das Gesamtgewicht des Objekts beträgt:
Gewicht=m⋅g
Dabei ist m die Masse des Objekts und g die Erdbeschleunigung (ungefähr 9,8 m/s 2 ).
- Senkrechte Komponente (die die Normalkraft erzeugt):
Dies ist der Teil, der uns interessiert, weil er auf der Rampe „ruht“ und mit der Normalkraft zusammenhängt. Die Formel zur Berechnung dieser Komponente lautet:
F⊥=m⋅g⋅cos(θ)
Hier ist cos(θ) der Kosinus des Neigungswinkels. - Parallele Komponente (die dazu führt, dass das Objekt zum Gleiten neigt):
Sie hat keinen direkten Einfluss auf die Normalkraft, ist aber nützlich, um die Bewegung des Objekts auf der Rampe zu verstehen. Es wird wie folgt berechnet:
F∥=m⋅g⋅sin(θ)
Berechnung der Normalkraft
Nachdem wir das Gewicht in diese beiden Teile zerlegt haben, können wir nun die Normalkraft (F n ) berechnen . Die Fn auf einer schiefen Ebene ist gleich der senkrechten Komponente der Schwerkraft, da dieser die Oberfläche der Rampe entgegenwirken muss.
Daher ist die Normalkraft:
F n =m⋅g⋅cos(θ)
Praxisbeispiel
Stellen Sie sich vor, Sie haben einen 5-kg-Block auf einer Rampe, die im 30-Grad-Winkel zum Boden geneigt ist. Wir wollen die Normalkraft berechnen, die die Rampe auf den Block ausübt.
Zuerst berechnen wir das Gewicht des Blocks:
Gewicht=5 kg⋅9,8 m/s2=49 N
Nun verwenden wir die Formel, mit dem Neigungswinkel von 30 Grad:
Fnormal=49 N⋅cos(30∘)
Der Kosinus von 30 Grad beträgt ungefähr 0,866, also:
Fnormal=49 N⋅0,866=42,4 N
Daher beträgt die Normalkraft, die die Rampe auf den Block ausübt, 42,4 Newton .
Warum ist es kleiner als auf einer ebenen Fläche?
Beachten Sie, dass die Normalkraft auf einer geneigten Rampe geringer ist , als wenn derselbe Block auf einer ebenen Fläche stünde. Wenn sich der Block auf einer horizontalen Fläche befände (wobei der Winkel θ 0 Grad beträgt), wäre der Kosinus von 0 1, sodass die Normalkraft gleich dem vollen Gewicht wäre, also 49 N.
Da der Neigungswinkel der Rampe 30 Grad beträgt, wird nur ein Teil des Gewichts auf der Rampe „abgestützt“, und deshalb ist die Normalkraft geringer, nämlich 42,4 N statt der 49 N, die wir verwenden würden auf einer ebenen Fläche haben.
Die andere Kraftkomponente ist diejenige, die eine Abwärtsbeschleunigung des Körpers bewirken würde, wenn nicht eine Reibungskraft in die entgegengesetzte Richtung vorhanden wäre, die dies kompensiert.
Dies erklärt auch, warum ein Objekt an einem steilen Hang leichter gleiten kann: Da die Normalkraft kleiner ist, gibt es weniger Reibung und der Teil des Gewichts, der den Hang hinunter wirkt (die Parallelkomponente), hilft dem Objekt beim Gleiten. bewegen.
Besondere Situationen
Bisher haben wir über sehr einfache Beispiele gesprochen, aber diese Kraft kann sich auch in komplexeren Situationen auf interessante Weise verhalten.
Im Folgenden stelle ich einige spezielle Beispiele vor, die Ihnen helfen, dieses Konzept besser zu verstehen:
1. Ohrringe
Stellen Sie sich vor, Sie gehen einen steilen Hügel hinunter. Ist Ihnen aufgefallen, dass man am Hang leichter ausrutscht? Das hat mit der Normalkraft zu tun.
Wenn sich ein Objekt auf einer geneigten Oberfläche befindet, ist die Normalkraft nicht so groß wie bei einer flachen Oberfläche, da die Neigung dazu führt, dass ein Teil der Schwerkraft wirkt und den Hang hinunter „drückt“.
Auf einem Hügel muss die Normalkraft nicht das gesamte Gewicht des Objekts kompensieren, sondern nur einen Teil davon. Und da es kleiner ist, gibt es weniger Widerstand und Sie können leichter ausrutschen.
2. Gegen eine Wand drücken
Stellen Sie sich nun vor, Sie schieben eine Kiste gegen eine Wand.
In diesem Fall hängt die Normalkraft nicht vom Gewicht der Kiste ab, sondern vom Druck, den Sie ausüben. Je stärker Sie die Box gegen die Wand drücken, desto größer ist die Kraft, die die Wand auf die Box ausübt, um sie am Durchdringen zu hindern.
Wenn Sie aufhören zu drücken, verschwindet die Normalkraft.
3. Normalkraft in einem Aufzug
Hatten Sie jemals das Gefühl, in einem fahrenden Aufzug schwerer oder leichter zu sein?
Das hat auch mit dieser Stärke zu tun. Wenn der Aufzug schnell ansteigt, erhöht sich die Normalkraft (und wir haben das Gefühl, mehr zu wiegen), weil der Boden des Aufzugs mit mehr Kraft nach oben drücken muss, um die Beschleunigung auszugleichen.
Wenn der Aufzug nach unten beschleunigt, nimmt die Normalkraft ab (und wir haben das Gefühl, weniger zu wiegen), da die Beschleunigung die Notwendigkeit verringert, so stark nach oben zu drücken.
Zusammenhang mit Newtons drittem Gesetz: Aktion und Reaktion
Die Normalkraft steht in direktem Zusammenhang mit dem dritten Newtonschen Gesetz , auch bekannt als Aktions- und Reaktionsgesetz .
Dieses Gesetz besagt , dass es für jede Aktion eine Reaktion gleicher Stärke und in entgegengesetzter Richtung gibt . Das heißt, wenn ein Objekt eine Kraft auf ein anderes Objekt ausübt, reagiert dieses andere Objekt mit der gleichen Kraft, jedoch in die entgegengesetzte Richtung.
Stellen Sie sich bei normaler Kraft einen Schlittschuhläufer vor, der auf einer Eisbahn rutscht. Das Gewicht des Skaters, die Aktionskraft , drückt aufgrund der Schwerkraft nach unten.
Als Reaktion darauf übt das Eis eine nach oben gerichtete Kraft aus , um diesem Gewicht entgegenzuwirken und zu verhindern, dass es bricht und der Eisläufer durch das Eis hindurchgeht. Die Größe dieser Kraft entspricht dem Gewicht des Skaters, wirkt jedoch in die entgegengesetzte Richtung, also nach oben.
Abschluss
Kurz gesagt, die Normalkraft gehört zu den Dingen, die jederzeit vorhanden sind, von denen wir uns jedoch normalerweise nicht bewusst sind, dass sie existieren.
Es ist die Kraft, die verhindert, dass wir den Boden durchdringen oder Gegenstände in Oberflächen versinken. Sie hängt vom Gewicht des Objekts ab und wirkt immer senkrecht zur Oberfläche, auf der es steht. Darüber hinaus ist es in allen möglichen Alltagssituationen involviert, vom Sitzen bis zum Gehen einen Hang hinunter.