Newtonsche Gesetze
Die Newtonschen Gesetze (oft auch Newtonsche Axiome) sind die Grundlage der klassischen Mechanik und lassen sich zur Beschreibung der Bewegung von Körpern und den dabei wirkenden Kräften nutzen. Sie wurden 1687 von Isaac Newton in dessen Werk „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (lat.: Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“) als Grundsätze der Bewegungslehre formuliert.[1] Heute bezeichnet man die drei Gesetze oft als "Trägheitsprinzip", "Aktionsprinzip" und "Wechselwirkungsprinzip".
Newtons Idee, dass sich zwei Kräfte in einem Kräfteparallelogramm zu einer resultierenden Kraft zusammenfassen lassen, wird oft als viertes Newtonsches Gesetz bezeichnet. Verallgemeinert man diesen Gedanken, gelangt man zum Superpositionsprinzip für Kräfte.[2]
Formulierung der Newtonschen Gesetze
Das erste Newtonsche Gesetz: Das Trägheitsprinzip
Das erste Newtonsche Gesetz wird auch als Trägheitsprinzip bezeichnet. Es beschreibt das Verhalten von Körpern, auf die (insgesamt) keine Kräfte wirken:
"Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt."[3]
Das Einwirken keiner Kraft kann dabei nicht nur bedeuten, dass überhaupt keine Kräfte auf den Körper einwirken. Auch wenn die Summe der Kräfte, die auf den Körper einwirken, null ist, wirkt auf ihn insgesamt keine Kraft und das erste Newtonsche Gesetz gilt. In diesem Fall heben sich die Kräfte gegenseitig auf. Ist diese Bedingung erfüllt, dann bleibt der Körper in Ruhe, wenn er sich auch zuvor nicht bewegt hat. Bewegt er sich aber geradlinig gleichförmig, dann bewegt er sich auch so weiter. Er verändert in beiden Fällen sein Bewegungsart und -form bei, verhält sich also "träge".
Das zweite Newtonsche Gesetz: Das Aktionsprinzip
Das zweite Newtonsche Gesetz wird auch als Aktionsprinzip bezeichnet. Es stellt einen Zusammenhang zwischen der Masse eines Körpers m, seiner Beschleunigung a und der auf den Körper wirkenden Kraft F her:
"Wirkt auf einen Körper eine Kraft, so wird er in Richtung der Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist dabei direkt proportional zur Kraft und indirekt proportional zur Masse des Körpers."[4]
In einer Gleichung ausgedrückt stellt sich das Aktionsprinzip folgendermaßen dar:
F = m * a
Dieser Zusammenhang zentral für die Beschreibung von vielen physikalischen Bewegungsvorgängen. Deswegen wird das zweite Newtonsche Gesetz auch als das Newtonsche Grundgesetz bezeichnet. Da Kraft und Beschleunigung gerichtete Größen sind, wirkt die Beschleunigung dabei immer in die selbe Richtung wie die Kraft.
Das dritte Newtonsche Gesetz: Das Wechselwirkungsprinzip
Das dritte Newtonsche Gesetz wird auch als Wechselwirkungsprinzip bezeichnet. Es beschreibt die Wirkung von einer Kraft und der zugehörigen Gegenkraft:
"Besteht zwischen zwei Körpern A und B eine Kraftwirkung, so ist die Kraft, die Körper A auf Körper B auswirkt, gleich der Kraft, die Körper B auf Körper A auswirkt."[5]
Dabei sind die beiden Kräfte immer entgegengesetzt gerichtet. In anderen Worten bedeutet das: Zu jeder wirkenden Kraft gibt es eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft. Newton fasste das Prinzip als actio = reactio zusammen.
Das Superpositionsprinzip
Gültigkeitsbedingungen
Die Newtonschen Gesetze gelten unter folgenden Bedingungen:
- Reibungsfreiheit
- Bezugssystem, in dem sich die Körper befinden, erfährt keine Beschleunigung
- Bewegungsgeschwindigkeiten sind viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit
- Körper sind makroskopisch (also "groß")[6]
Anwendungsbeispiele
Grenzen
Übungen
- ↑ vgl. Demtröder, Wolfgang. (2021). Experimentalphysik 1. Mechanik und Wärme. 9. Auflage. Berlin: Springer Spektrum. S. 53.
- ↑ vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze abgerufen 27.02.2023
- ↑ Demtröder, Wolfgang. (2021). S. 53.
- ↑ https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/newtonsche-axiome-1432 abgerufen 27.02.2023
- ↑ https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/newtonsche-axiome-1432 abgerufen 27.02.2023
- ↑ vgl. https://learnattack.de/physik/newtonsche-gesetze abgerufen 27.02.2023