Newton 1, 2, 3

Von der Trägheit der Körper

Gibt man dem Spielzeugauto einen Stoß, fährt es auf dem Tisch solange weiter, bis es durch die Reibungskräfte zum Stillstand gekommen ist. Wären keine Reibungskräfte vorhanden, dann würde das Spielzeugauto ständig mit derselben Geschwindigkeit weiterfahren.

Andererseits braucht man auch zum Abbremsen eines Gegenstandes eine Kraft, denn ohne diese Kraft würde der Gegenstand sich immer weiter bewegen. Er würde ohne Kraft immer geradeaus weiterfahren.

Das bezeichnet man als Trägheit.

Wir betrachten zunächst folgende zwei Bewegungszustände: Ruhe und gleichförmige Bewegung.

Das klingt etwas eigentümlich, wenn man erfährt, dass Ruhe ein „Bewegungszustand“ ist. Aber in der Physik geht man sehr logisch vor und so bezeichnet man eben Ruhe als jenen Bewegungszustand, bei dem die Geschwindigkeit null ist.

Dieses Trägheitsprinzip stammt von Isaac Newton und es besagt folgendes:

Trägheit kann gefährlich sein

Trägheit und Masse

Eine doppelt so große Masse hat auch eine doppelt so große Trägheit.

Deshalb stehen Kinder in einem fahrenden Autobus stabiler als Erwachsene. Obwohl Kinder stabiler als Erwachsene stehen, sollen sie sich in Straßenbahnen, Autobussen und in der U-Bahn sowie in Zügen immer festhalten, wenn sie stehen. Es kann nämlich immer zu Notbremsungen kommen. Wegen der Trägheit ist es deshalb notwendig, sich während der Fahrt im Auto auf allen Sitzen anzuschnallen und auch während des Fluges ist das Anschnallen in Flugzeugen aus Sicherheitsgründen empfohlen.

Experiment
Fahrzeug mit unterschiedlicher Beladung

Von Kraft, Masse und Beschleunigung

Wenn man mit Hilfe einer Kraft einen Gegenstand aus der Ruhe in Bewegung gebracht hat, dann hat sich die Geschwindigkeit geändert, das bedeutet, dass man den Gegenstand beschleunigt hat. Den Zusammenhang von Kraft, Masse und Beschleunigung kann man sich sehr einfach überlegen.

Wirkt auf einen ruhenden Körper eine Kraft, dann wird der Körper in Richtung dieser Kraft beschleunigt. Deshalb sind Kräfte und Beschleunigungen Vektoren. Wirkt auf diesen Körper eine doppelt so große Kraft, dann erfährt der Körper eine doppelt so große Beschleunigung.

Alltagsbeispiele, an denen man das 2. Newtonsche Gesetz erkennen kann, gibt es viele:

Abhängigkeit von der Masse: Um eine Eisenkugel so zu beschleunigen, dass sie dieselbe Geschwindigkeit erhält, wie ein Tischtennisball, benötigt man viel mehr Kraft.

Abhängigkeit von der Beschleunigung: Damit die Bobfahrerinnen am Start des Eiskanals eine doppelt so große Beschleunigung dem Bob verleihen, brauchen sie eine doppelt so große Kraft.

Kräfte treten paarweise auf

Was spürt man, wenn man mit der Hand fest auf den Tisch drückt?

Nach dem 2. Newtonschen Gesetz müsste der Tisch eine Beschleunigung erfahren. Da er aber fest auf dem Erdboden steht, gibt er nicht nach und man spürt eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft im Arm.

Da man sofort, wenn man auf den Tisch drückt, die Normalkraft $$ F_N $$ spürt, erkennt man, dass diese Kraft sofort zu einer gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten Kraft führt. Da sich Kraft und Gegenkraft aufheben, wird der Tisch auch nicht beschleunigt.

Ganz genau betrachtet geschieht folgendes: Die Hand drückt mit der Kraft F auf den Tisch und gleichzeitig drückt der Tisch mit der gleich großen Kraft gegen die Hand.

Skateboard-Versuch

Dieses paarweise Auftreten von Kräften lässt sich mit einer zweiten Person, die genau so schwer ist, wie man selbst und zwei Skateboards selbst ausprobieren und spürbar erkennen.

• Person A und Person B stellen sich so auf, wie es das Bild zeigt.
• Eine dritte Person markiert die Mitte zwischen beiden.
• Person A hält das Seil nur fest, während Person B daran zieht.

Beide treffen sich in der Mitte, egal welche Person zieht. Denn, in dem Moment, in dem eine Person zu ziehen beginnt, entsteht eine gleich große, aber entgegengesetzte Gegenkraft.

Man nennt die Tatsache, dass immer dann, wenn eine Kraft auf einen Körper ausgeübt wird, eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft entsteht, Wechselwirkungsgesetz. Auch dieses Gesetz hat Isaac Newton entdeckt.

Das bedeutet, wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, übt Körper B eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft auf Körper A aus. Wichtig ist, dass diese Wechselwirkungskräfte immer an zwei unterschiedlichen Körpern angreifen!

Newton nannte dieses Gesetz das Gesetz von „actio est reactio“, da in vergangenen Jahrhunderten die Wissenschaftssprache Latein war.

Beispiele Wechselwirkungsgesetz

Die Person, die im Boot sitzt, übt auf die Kiste die Kraft $$\overrightharpoon{F}$$ aus. Dadurch entsteht sofort die Gegenkraft $$-\overrightharpoon{F}$$ und das Boot wird in die andere Richtung beschleunigt. Das passiert auch, wenn jemand aus einem Boot an Land springt, dann erfährt das Boot einen Rückstoß, dieser ist die Gegenkraft.

Auch in der Leichtathletik kann man das Wechselwirkungsgesetz erkennen – man sieht die Wechselwirkung zwischen Startblock und Läufer:

Newtons Raumschiff

Aus diesem Raumschiff wird die Ladung abgeworfen. Beobachte ganz genau, was dabei passiert! Schätze, wie schwer die Ladung ist! (Zum Vergleich: das Raumschiff hat ein Gewicht von 100 Tonnen.)