Die drei Newtonschen Gesetze
Du lernst Trägheitsprinzip, Grundgleichung der Mechanik F = m · a und das Wechselwirkungsprinzip kennen und wendest sie auf Alltagssituationen an.
So funktioniert es
Isaac Newton fasste 1687 in seinem Werk „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ die Grundlagen der Mechanik in drei Gesetzen zusammen.
1. Trägheitsprinzip
Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiter, solange keine resultierende Kraft auf ihn wirkt.
Deshalb wirst du beim plötzlichen Bremsen nach vorne gedrückt: Dein Körper will sich weiterbewegen. Der Sicherheitsgurt bringt die nötige Kraft auf, um dich abzubremsen. Im Alltag kommen Körper nur deshalb zur Ruhe, weil Reibung und Luftwiderstand wirken.
2. Grundgleichung der Mechanik
Wirkt eine resultierende Kraft F auf einen Körper der Masse m, wird er beschleunigt:
F = m · a
Je größer die Kraft, desto größer die Beschleunigung. Je größer die Masse, desto kleiner die Beschleunigung bei gleicher Kraft. Daraus ergibt sich die Einheit Newton: 1 N = 1 kg · m/s².
Auch die Gewichtskraft F_G = m · g ist ein Sonderfall dieses Gesetzes.
3. Wechselwirkungsprinzip (actio = reactio)
Übt ein Körper A eine Kraft auf einen Körper B aus, so übt B eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus.
- Beim Abstoßen vom Beckenrand drückst du gegen die Wand, die Wand drückt dich zurück.
- Eine Rakete stößt Gase nach hinten aus, die Gase stoßen die Rakete nach vorne.
Wichtig: Die beiden Kräfte wirken auf verschiedene Körper. Deshalb heben sie sich nicht auf. Das unterscheidet Wechselwirkungskräfte vom Kräftegleichgewicht, bei dem zwei Kräfte auf denselben Körper wirken.
Reibung
Bei der Anwendung muss man oft die Reibungskraft berücksichtigen. Sie wirkt der Bewegung entgegen. Die resultierende Kraft ist dann Antriebskraft minus Reibungskraft.
Merksatz
1. Ohne resultierende Kraft keine Änderung der Bewegung. 2. F = m · a. 3. Kraft und Gegenkraft sind gleich groß, entgegengesetzt und wirken auf verschiedene Körper.
Vorgemacht: Beispiele
Beispiel 1
- a = F : m = 3 000 N : 1 200 kg
Ergebnis a = 2,5 m/s²
Beispiel 2
- Resultierende Kraft: 120 N − 40 N = 80 N
- a = 80 N : 40 kg
Ergebnis a = 2 m/s²
Selbst üben
Welche Kraft ist nötig, um einen Ball von 0,45 kg mit 20 m/s² zu beschleunigen?
Lösung anzeigen
F = 0,45 · 20 = 9 N
Warum fliegen Passagiere bei einem Auffahrunfall nach vorne, wenn sie nicht angeschnallt sind?
Lösung anzeigen
Trägheit: Ihr Körper bewegt sich weiter, während das Auto abrupt abbremst.
Ein Buch liegt auf dem Tisch. Nenne das Kräftepaar nach dem dritten Gesetz.
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Das Buch drückt mit seiner Gewichtskraft auf den Tisch, der Tisch drückt mit gleich großer Kraft nach oben auf das Buch. (Die Gegenkraft zur Gewichtskraft im Sinne des 3. Gesetzes ist genau genommen die Anziehung der Erde durch das Buch.)
Hier passieren die meisten Fehler
Es wird angenommen, dass ein bewegter Körper ohne Kraft von selbst stehen bleibt.
Er wird nur durch Reibung abgebremst. Ohne Kraft würde er sich gleichförmig weiterbewegen.
Kraft und Gegenkraft sollen sich gegenseitig aufheben.
Sie wirken auf verschiedene Körper und können sich deshalb nicht aufheben.
Hinweis zur Klassenstufe
In welcher Klasse genau dieses Thema drankommt, unterscheidet sich zwischen den Ländern. Klasse 10 ist der häufigste Zeitpunkt.