Gleiche Richtung: addieren. Entgegengesetzt: subtrahieren. Beliebige Richtung: Kräfteparallelogramm — und am Ende eine Formel mit Cosinus.
Bisher wirkte immer nur eine Kraft — in der Wirklichkeit ziehen fast nie alle an einem Strang.
Das Bild dazu ist ein Tauziehen:
Mehrere Kräfte lassen sich stets zu einer Kraft mit derselben Wirkung zusammenfassen, der resultierenden Kraft \( \vec{F}_R \).
Gleiche Richtung: \( F = F_1 + F_2 \)
Entgegengesetzte Richtung: \( F = F_2 - F_1 \)
Beliebige Richtungen: zeichnerisch über ein Parallelogramm.
Die Pfeile werden hintereinandergesetzt. Die resultierende Kraft ist so lang wie beide zusammen und zeigt in dieselbe Richtung.
Die größere der beiden Kräfte.
Die resultierende Kraft zeigt in Richtung der größeren Kraft.
Zeigen die Kräfte weder in dieselbe noch in die genau entgegengesetzte Richtung:
Man kann \( \vec{F}_R \) auch berechnen, statt sie zu messen — mit \( \alpha \) als Winkel zwischen den beiden Kräften:
Winkel zwischen \( \vec{F}_1 \) und \( \vec{F}_2 \).
Abschnitte des rechtwinkligen Dreiecks, das durch das Lot entsteht.
Gefällt vom Endpunkt von \( \vec{F}_R \) auf die Verlängerung von \( \vec{F}_2 \).
Der Beweis braucht nur den Satz des Pythagoras und \( \sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 \):
Die Formel enthält die beiden einfachen Fälle bereits als Sonderfälle:
| Fall | Richtungen | Konstruktion | Rechnung |
|---|---|---|---|
| 1 | gleiche Richtung (\(\alpha = 0^\circ\)) | Pfeile hintereinandersetzen | \(F = F_1 + F_2\) |
| 2 | entgegengesetzt (\(\alpha = 180^\circ\)) | Pfeile gegeneinandersetzen | \(F = F_2 - F_1\) |
| 3 | beliebiger Winkel \(\alpha\) | Parallelogramm, Diagonale | \(F_R = \sqrt{F_1^2+F_2^2+2F_2F_1\cos\alpha}\) |
Das Parallelogramm wird live konstruiert, und die Formel rechnet mit den eingestellten Werten mit.
Zwischen 0° und 180° ändert sich die Länge der roten Diagonale: bei 0° so lang wie beide Kräfte zusammen, bei 180° nur noch so lang wie ihre Differenz. Bei 0° und 180° liegen alle drei Pfeile auf einer Geraden, die rote ist dort zur Sichtbarkeit darunter gezeichnet.
Drei häufige Stolperstellen:
Beträge addieren geht nur in Fall 1: Zwei Kräfte von je 900 N ergeben 1800 N in derselben Richtung, aber 0 N gegeneinander. Entschieden wird über die Richtung.
\(F_R\) ist nicht immer größer als jede Einzelkraft: Bei stumpfem Winkel kann sie kleiner sein, bei \(\alpha = 180^\circ\) und gleichen Beträgen sogar null. Größer als \(F_1 + F_2\) wird sie nie.
\(\vec{F}_R\) ist keine Seite des Parallelogramms: Die Seiten sind die Einzelkräfte und ihre Parallelen. \(\vec{F}_R\) ist die Diagonale, die im gemeinsamen Angriffspunkt beginnt.