Zentripetalkraft

Der Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft

Die Zentripetalkraft und die Zentrifugalkraft sind zwei unterschiedliche Kräfte. Die Zentrifugalkraft gilt, im Gegensatz zur Zentripetalkraft, als Scheinkraft. Scheinkräfte folgen nicht dem Newtonschen Prinzip von "Actio et Reactio" und haben dementsprechend nur eine Scheinwirkung.

Die Zentrifugalkraft basiert auf der Trägheit eines Körpers. Diese Trägheit erfährst Du auch, wenn Du zum Beispiel in einem Aufzug fährst und dieser aus dem Stillstand nach unten fährt. Meistens verspürst Du einen kleinen Ruck und fühlst dich dann einen kleinen Moment so, als ob Du schwerelos wärst, weil der Boden unter dir verschwindet.

Wenn Du Dir jetzt die Trägheit bei einer Kreisbewegung anschaust, erkennst Du, dass die Zentripetalkraft nach innen wirkt, und die Zentrifugalkraft nach außen wirkt.

Abb. 2: Zentrifugalkraft bei einer Kreisbewegung

Wenn sich ein Körper auf einer Kreisbahn befindet, wirkt die Zentripetal- und die Zentrifugalkraft. Beide wirken senkrecht zum Kreismittelpunkt. Die Zentripetalkraft wirkt zu diesem Mittelpunkt hin und die Zentrifugalkraft weg davon.

Diese Trägheit tritt auch bei Drehbewegungen auf und wird Zentrifugalkraft genannt. Es fühlt sich so an, als ob Du nach außen getragen wirst.

Ein Beispiel dafür ist ein Kettenkarussell.

Auch bei anderen Kreisbewegungen wirken diese Kräfte.

Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft im Alltag

Ein weiteres alltägliches Beispiel für die Zentripetalkraft ist das Auto in der Kurve. Anhand dieses Beispiels kannst Du sowohl Zentrifugalkraft wie auch die Zentripetalkraft gut veranschaulichen.

Zentripetalkraft eines Autos in einer Kurve

Wenn Du mit einem Auto in eine Kurve fährst, dann fühlt es sich für die Personen im Auto so an, als würden sie nach außen gedrückt werden. Das liegt an der Zentrifugalkraft, die von der Kurve aus nach außen wirkt. Gleichzeitig bewirkt die Zentripetalkraft, dass das Auto um die Kurve kommt, da die Kraft zum Kreismittelpunkt wirkt.

Die erforderliche Zentripetalkraft, um ein Auto in der Kurve zu halten, wird durch die Haftreibung der Reifen auf der Fahrbahn erbracht. Der Kurvenradius wird also durch die Reibung begrenzt, kann aber durch einen erhöhten Abtrieb vom Auto erhöht werden. Ein höherer Abtrieb kann bei der schnellen Durchfahrt einer Kurve helfen.

Abb. 4: Auto fährt in eine Kurve ein

Wenn Du mit dem Auto mit einer Geschwindigkeit $\overrightarrow{v}$ in die Kurve einfährst, dann wirkt die Reibung der Räder als Zentripetalkraft ${\overrightarrow{F}}_{ZP}$ und das Auto wird durch die Zentripetalkraft in die Kurve gelenkt.

Die Haftreibungskraft der Reifen, wenn sie Halt auf dem Asphalt haben, ist demnach gleich der Zentripetalkraft. Die Haftreibungskraft wird wiederum bestimmt durch folgende Formel:

$F_H={\mu }_R·F_G$

Die Haftreibungskraft wird mit der Haftreibungszahl $\mu$ (gesprochen: "My") und der Gewichtskraft F_G berechnet. Die Haftreibungszahl ist eine konstante, die abhängig von der Beschaffenheit der Reifen und der Fahrbahn ist. Abgefahrene Reifen mit weniger Halt oder auch nasse oder sogar vereiste Straßen sorgen für eine geringere Haftreibung. Im Idealfall liegt die Haftreibungszahl bei ${\mu }_R=1$.

Wenn die wirkende Zentripetalkraft eines Autos in einer Kurve also berechnet werden soll, dann wird die Zentripetalkraft gleich der Haftreibungskraft gesetzt.

$F_{ZP}={\mu }_R·F_G$

Doch auch in viel größeren Dimensionen wirkt die Zentripetalkraft. Ein Beispiel dafür sind Planetenbahnen, bei denen die Schwerkraft als Zentripetalkraft wirkt.

Zentripetalkraft der Erde und Planetenbahnen

Um die Zentripetalkraft, die auf Planeten wirkt, leichter zu verstehen, kann man sich unser Sonnensystem als Beispiel anschauen. Die Sonne im Zentrum unseres Sonnensystems zieht mithilfe ihrer Gravitation die Planeten, wie unsere Erde, an. Die Gravitationskraft wirkt daher wie eine Zentripetalkraft. Auch wenn die Umlaufbahn der Erde um die Sonne nicht kreisförmig, sondern elliptisch ist, nehmen wir diese zur Vereinfachung als kreisförmig an.

Abb. 5: Erdumlaufbahn um die Sonne

Die Erde bewegt sich mit einer Geschwindigkeit $\overrightarrow{v}$ um die Sonne herum. Die Gravitationskraft ${\overrightarrow{F}}_G$ der Sonne, die die Erde anzieht, wirkt dabei als Zentripetalkraft ${\overrightarrow{F}}_{ZP}$ . Sie hält die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Die Sonne stellt dabei den ungefähren Mittelpunkt der Bahn dar, da die Umlaufbahn nicht kreisförmig ist. Das gleiche Prinzip gilt auch für den Mond, welcher sich wiederum um die Erde dreht und von dieser auch angezogen wird.