Volumenkräfte

Volumenkräfte, auch Volumenkräfte- oder Körperkräfte genannt, sind Kräfte, die auf jedes Materialvolumenelement eines Kontinuums wirken. Sie unterscheiden sich von Oberflächenkräften, die an den Oberflächen eines Elements auftreten und durch Tractions beschrieben werden. Volumenkräfte werden als Kraft pro Volumeneinheit f(x,t) angegeben und haben die Einheit Newton pro Kubikmeter (N/m^3). In den Gleichungen der Kontinuumsmechanik erscheinen sie im Zusammenspiel mit Dichte, Beschleunigung und Stress durch die Gleichung ρ a = ∇·σ + f, wobei ρ die Dichte, a die Beschleunigung und σ der Spannungstensor ist.

Typische Beispiele umfassen Gravitationskräfte (f = ρ g), die in vielen Anwendungen die Primärquelle der Körperwirkung darstellen; Verdrängungs- oder Auftriebswirkungen in Fluiden, die aus dem Gewichts- bzw. Dichteunterschied resultieren; elektromagnetische Körperkräfte (f = ρ_e E + J × B), die in elektrisch oder magnetisch durchdrungenen Medien auftreten; sowie in nicht-inertialen Bezugssystemen auftretende Trägheitskräfte wie die Zentrifugal- und die Corioliskraft (f = ρ ω × (ω × r) bzw. f = 2 ρ v × ω), die in rotierenden Systemen als Volumenkräfte wirken.

Bedeutung und Anwendung zeigen sich in Bereichen wie Fluid- und Festkörpermechanik, Hydrodynamik, Magnetohydrodynamik und der Modellierung von Medien in Feldern. Durch die Berücksichtigung der Volumenkräfte lässt sich das Gleichgewicht oder die Dynamik eines Mediums unter äußeren Feldern und Zwangskräften zuverlässig beschreiben, sowohl in statischer als auch in dynamischer Hinsicht.