Kraftpfeil

Der Kraftpfeil ist eine graphische Darstellung der physikalischen Grösse Kraft. Im Schnittbild zeigt man mit Hilfe dieser Kraftpfeile, wo und in welche Richtung eine Kraft auf einen Körper einwirkt.

Im 19. Jahrhundert hat man viele Probleme der Statik mit Hilfe graphischer Methoden gelöst (Cremonaplan). Bei diesen Methoden behandelt man die Kraft als gerichtete Strecke im Raum, wobei die Länge der Strecke dem Betrag der Kraft entspricht. Diese Zuordnung hat es den Ingenieuren ermöglicht, unbekannte Kräfte mit Hilfe einer Zeichnung zur ermitteln.

Die drei Komponenten des Kraftpfeils ergeben sich aus den zugehörigen Impulsströmen durch folgende Vorschrift:

Die Stärke eines zufliessenden Impulsstromes der Komponente i ergibt die Länge der i-Komponente des zugehörigen Kraftpfeils (i = x, y oder z)

Abfliessende Ströme, also negative Impulsstromstärken, ergeben folgerichtig eine negative Komponente des Kraftpfeils. In Umkehrung dieser Vorschnitt lassen sich aus jedem Schnittbild einer gegebenen Anordnung drei Impulsstrombilder zeichnen.

Der Kraftpfeil allein sagt nichts über die Richtung aus, in die der Impuls transportiert wird. Weist der Kraftpfeil von der Oberfläche weg, spricht man von einer Zugkraft. Dann fliesst der Impuls gegen seine Bezugsrichtung über die Körperoberfläche. Zeigt der Kraftpfeil von der Angriffsfläche in den Körper hinein, liegt eine Druckkraft vor. Der Impuls fliesst dann an dieser Stelle in seine eigene Bezugsrichtung. Verläuft der Kraftpfeil tangential zur Angriffsfläche liegt eine Scherspannung vor, weil der Impuls quer zu seiner Bezugsrichtung strömt.

Der Kraftpfeil hat dazu beigetragen, dass viele Leute der Kraft eine objektive Bedeutung beimessen. Dabei ist die Kraft eine rein operationalisierte Grösse. Mit Kraft bezeichnet man in der Physik und in der Technik die Impulsstrom- oder Impulsquellenstärke bezüglich eines ausgewählten Systems. Die Vorstellung, dass die Kraft eine objektivierbare Grösse sei, gehört zu den weit verbreitetsten Fehlvorstellungen der Mechanik. Entsprechend oft werden Kräfte falsch eingezeichnet, abstrus benannt und entsprechend willkürlich in die Impulsbilanz (Grundgesetz) eingefügt.

Graphische Methoden findet man heute meist nur noch im Anfängerunterricht (Sekundarstufe I). Dabei werden oft elementare Regeln der Kunst verletzt. So wird meistens nicht zwischen dem Schnittbild oder Lageplan und dem Kraftplan, der graphischen Darstellung der Kräfte, unterschieden. Die Kraft wird zudem meist nur statisch, also im Vergleich zur Gewichtskraft, eingeführt, ohne dass der Unterschied zwischen einer masseinduzierten Volumenkraft und einer Oberflächenkraft je thematisiert wird. Die Schülerinnen und Schüler haben deshalb keine andere Wahl, als eine eigene Vorstellung zu entwickeln. Dass sie sich dabei in etwa den Kraftbegriff von Aristoteles zurechtlegen, ist einer der Gründe, wieso Mechanik sogar von Studierenden an Hochschulen oft nicht richtig verstanden wird. Würde man sich auf der Sekundarstufe I zuerst auf Bewegungen längs einer Geraden konzentrieren und die ganze Dynamik eines Körpers anhand des Flüssigkeitsbildes diskutieren, hätten die Schülerinnen und Schüler danach eine tragfähige Basis für die ganze Mechanik. Die Auszubildenden wüssten dann, was mit dem Impuls und der Energie bei einem Autounfall passiert und würden unter Mechanik nicht das sinnlose Addieren von Pfeilgrössen anhand ach so spannender Themen wie "Klotz auf schiefer Ebene" oder "Lampe an zwei Schnüren" verstehen.