Zentrifugalkraft - Definition und Beispielrechnung

Eine Kreisbewegung benötigt eine Kraft

• Wenn Sie einen Ball an einer Schnur auf einem Kreis herumschleudern wollen, benötigen Sie eine Kraft, um den Ball zu halten und so auf eine Kreisbahn zu zwingen. Einen Moment nicht aufgepasst, und schon fliegt der Ball tangential weg.
• Diese Kraft, die Körper auf eine Kreisbahn zwingt, wird in der Physik Zentripetalkraft genannt. Sie ist eine in die Kreismitte gerichtete Kraft und sorgt dafür, dass der Körper nicht geradlinig den Kreis verlässt, sondern seine Richtung ständig ändert.
• Die Größe dieser Kraft ist abhängig von der Geschwindigkeit v und der Masse m, die der Körper hat, sowie dem Radius r der gewünschten Kreisbewegung. Sie können diese Kraft nach der Formel F = - mv²/r berechnen. Die Einheit der berechneten Kraft beträgt "Newton" (N), wenn Sie die Masse in Kilogramm (kg), den Radius in Meter (m) und die Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s) einsetzen. Dies müssen Sie unbedingt beachten!

Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft - eine Definition

• In dem genannten Beispiel befinden Sie sich jedoch als Person im Mittelpunkt des Kreises und müssen diese Kraft aufbringen. Befinden Sie sich jedoch in der Position des Balles, beispielsweise als Mitfahrer in einem Karussell oder bei einer rasanten Kurvenfahrt, spüren Sie eine ganz andere Kraft, die Sie nach außen drängen will. Umgangssprachlich kennen Sie diese Kraft; sie wird als Fliehkraft bezeichnet.
• In der Physik nennt man diese Kraft allerdings Zentrifugalkraft. Nach ihrer Definition ist sie die Gegenkraft zur Zentripetalkraft. Der umlaufende Körper übt diese Kraft auf den Kreismittelpunkt aus. Nur ein Beobachter, der in seinem Bezugssystem die Kreisbewegung mitmacht oder sogar der Akteur ist, kann die Zentrifugalkraft beobachten.
• Ihrer Definition als Gegenkraft entsprechend können Sie die Fliehkraft nach der gleichen Formel berechnen wie die Zentripetalkraft.

Hammerwerfer - ein durchgerechnetes Beispiel

Ein Hammerwerfer, der die Eisenkugel nach einer mehrfahren Drehung heraus fortschleudert, zieht während der Drehung die Kugel ständig zu sich hin, während er sich gleichzeitig gegen den Boden stemmen muss. Wie groß ist in diesem Beispiel die Zentripetalkraft beziehungsweise die Zentrifugalkraft der Kugel?

• Für dieses Beispiel benötigen Sie natürlich einige Angaben zum Hammerwerfen. So wiegt beispielsweise die Kugel (samt Griff) für Männer m = 7,26 kg.
• Der Draht, mit dem die Kreisbewegung durchgeführt wird, hat eine Länge von gut 1,2 Metern. Bei der Kreisbewegung kommt als Radius hierzu die Arm- und Schulterlänge des Werfers, die man mit einem Meter abschätzen kann. Der Radius des Kreises beträgt somit r = 2,2 m.
• Bekannt ist, dass sehr gute Hammerwerfer Abfluggeschwindigkeiten bis zu v = 27 m/s erreichen.
• Mit diesen Angaben und der Formel für die Zentripetalkraft berechnen Sie F = mv²/r = 7,26 kg * (27 m/s)²/2,2 m = 2405,7 N. Wenig oder viel? Immerhin würden Sie die gleiche Kraft benötigen, um gut 240 Kilogramm zu heben.