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Was besagen die Newtonschen Bewegungsgesetze?
Die Newtonschen Bewegungsgesetze, auch als Newtonsche Mechanik oder klassische Mechanik bezeichnet, werden häufig bei der Bearbeitung von Mechanikaufgaben herangezogen. Mit anderen Worten: Sie sind den Schülern der Oberstufe gut bekannt, insbesondere denen, die sich auf die Aufnahmeprüfungen nach dem Abitur oder auf das Abitur selbst vorbereiten. Hier erfahren Sie alles Wissenswerte über diese berühmten Newtonschen Gesetze.
Was sind die Newtonschen Gesetze?
Die Newtonschen Bewegungsgesetze sind bekannte physikalische Grundsätze. Sie wurden natürlich von Sir Isaac Newton, einem britischen Mathematiker und Physiker, aufgestellt. Sie wurden erstmals 1687 in seinem Werk „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ formuliert und es gibt insgesamt drei davon. Wovon handeln sie genau?
Tatsächlich handelt es sich um allgemeine Regeln zur Bewegung verschiedener Objekte im Universum. Newtons Theorien stellen somit eine klarere Erklärung der von Aristoteles beschriebenen Natur der Bewegung dar. Dabei ist anzumerken, dass der große britische Physiker einfache mathematische Formeln verwendete.
Newtons Bewegungsgesetze sind keine bloßen Theorien. Sie lassen sich in der realen Welt anwenden. Sie haben die Entwicklung zahlreicher Fachkenntnisse ermöglicht. So basieren beispielsweise die bei der Navigation von Raumfahrzeugen verwendeten Techniken auf den berühmten Bewegungsgesetzen von Newton. Gleiches gilt für die Bewegungen von Billardspielern.
Newtons drei Gesetze
Wie bereits erwähnt, hat Newton drei ganz unterschiedliche Gesetze formuliert. Finden Sie heraus, welche das sind.
Das erste Gesetz
Nach dem ursprünglichen Wortlaut des ersten Newtonschen Gesetzes „bleibt jeder Körper in dem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, in dem er sich befindet, es sei denn, eine Kraft wirkt auf ihn ein und zwingt ihn, seinen Zustand zu ändern“.
Praktisch gesehen besagt dieses Gesetz, dass ein Körper oder ein Objekt in Ruhe bleibt, sofern keine Kraft auf ihn einwirkt. Ebenso neigt ein sich bewegendes Objekt dazu, seine Geschwindigkeit beizubehalten, solange es keiner Kraft wie Reibung oder Schwerkraft ausgesetzt ist.
Wenn Sie also einen Ball ins Leere werfen, bewegt er sich mit derselben Geschwindigkeit weiter, es sei denn, er wird durch Wind oder die Kraft eines anderen Körpers, wie beispielsweise eines Baumes, beeinflusst. Diese Theorie von Newton ist als Trägheitsgesetz oder Trägheitsprinzip bekannt.
Das zweite Gesetz
Es wird als Grundprinzip der Dynamik bezeichnet und durch die folgende mathematische Formel veranschaulicht: Σ F = ma. F steht für die Kraft, m für die Masse des Objekts und a für die Beschleunigung des Objekts.
Mit dieser Formel erklärt Newton die Veränderungen, die eine Kraft an der Bewegung eines Objekts bewirken kann. Genauer gesagt: Wenn eine Kraft auf einen Körper wirkt, führt dies zu einer Geschwindigkeitsänderung, insbesondere zu einer Beschleunigung.
Es ist zu beachten, dass verschiedene Arten von Kräften auf einen Körper einwirken können. Dies gilt beispielsweise für Reibungskräfte, die Schwerkraft und elektromagnetische Kräfte. Unter Berücksichtigung dieser Kräfte lässt sich die Formel zur Lösung verschiedener Problemstellungen anwenden. Aus diesem Grund gilt das Grundprinzip der Dynamik als das wichtigste physikalische Gesetz.
Um es besser zu verstehen, betrachten wir das Beispiel zweier runder Objekte. Das eine ist ein kleiner Gummiball, das andere eine Bowlingkugel. Damit diese beiden Objekte mit derselben Geschwindigkeit rollen, muss man die Bowlingkugel mit einer größeren Kraft anschieben, da sie eine größere Masse hat. Diese Kraft beim Anschieben hat also zu einer Beschleunigung der Geschwindigkeit der Bowlingkugel geführt.
Wenn beide Bälle einen Hügel hinunterrollen und gegen eine Wand prallen, ist der Aufprall nicht gleich. Der Aufprall der Bowlingkugel ist stärker und verursacht mehr Schaden, da sie schwerer ist.
Das dritte Gesetz oder Prinzip von Aktion und Reaktion
Nach Isaac Newton gilt: „Die Aktion ist immer gleich der Reaktion“, das heißt, die Einwirkungen zweier Körper aufeinander sind immer gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.“ Konkret lässt sich dies am Beispiel zweier Objekte veranschaulichen, die miteinander interagieren. Sie werden als A und B bezeichnet. Wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, gilt das Gleiche auch umgekehrt.
Um dieses Newtonsche Gesetz besser zu verstehen, genügt es, den Rückstoß einer Schusswaffe zu beobachten. Wenn die Kugel den Lauf verlässt, bewegt sich die Waffe in die entgegengesetzte Richtung. Das gleiche physikalische Phänomen tritt auf, wenn man ein Buch auf einen Tisch legt. Der Tisch übt eine Kraft auf das Buch aus, und dieses übt eine Kraft auf den Tisch aus.
Newtons Gesetze in der Anwendung
Wann muss man das erste, das zweite oder das dritte Newtonsche Gesetz anwenden? Im Allgemeinen gilt das Trägheitsprinzip, wenn sich der Schwerpunkt eines Systems gleichmäßig geradlinig bewegt, wie beispielsweise beim Newton-Pendel.
Das zweite Gesetz gilt hingegen, wenn die Bahn des Schwerpunkts eines Objekts keine Gerade ist oder wenn seine Geschwindigkeit nicht konstant ist. Es ermöglicht es, den Verlauf der Bewegung eines Objekts zu bestimmen, wenn die auf es einwirkenden Kräfte bekannt sind, und so seine Bewegungsrichtung zu ermitteln. Schließlich wird das dritte Gesetz verwendet, um die Eigenschaften des Kraftvektors eines Körpers zu bestimmen.
