Physikunterricht/ Mechanik/ Newton'sche Axiome und Kräfte

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Newtonsche Axiome und Kräfte[Bearbeiten]

Bisher haben wir uns nur mit den Begriffen Bewegung und Beschleunigung auseinander gesetzt. Doch es stellt sich die Frage warum bewegen sich Objekte? Um die Ursachen der Bewegung zu verstehen, muss man eine weitere physikalische Größe einführen, die in der gesamten Physik von großer Bedeutung ist. Die Kraft. Dazu gibt es drei Gesetze, die die Grundlage für die gesamte Mechanik bilden. Diese Gesetze wurden von Sir Isaac Newton erstmals aufgestellt und wurden deshalb auch nach ihm benannt. Die newtonschen Axiome. Für diese Gesetze gibt es keine mathematischen Beweise, sondern sie beruhen auf einem logischen Denken.

  • Das erste newtonsche Axiom (auch Trägheitsprinzip genannt): Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt.
  • Das zweite newtonsche Axiom (auch Aktionsprinzip): Je größer die Kraft bzw. je kleiner seine Masse ist, desto größer auch seine Beschleunigung. Mathematisch als Formel formuliert ergibt es bzw. .
  • Das dritte newtonsche Axiom (auch Reaktionsprinzip): Wenn eine Kraft auf einen Körper wirkt, erzeugt sie eine gleichgroße gegengerichtete Kraft.

Schauen wir uns nun an, was das erste Gesetz besagt. Zerteilen wir das Gesetz in zwei einzelne Aussagen:

  • Ein Körper bleibt in Ruhe, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt.
  • Ein Körper bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt.

Die erste Teilaussage ist sehr leicht zu verstehen. z.B. ein Ball liegt am Boden und niemand bewegt ihn, dann wird er auch nicht von alleine anfangen, zu rollen. Die zweite Aussage kann anfangs vielleicht etwas unlogisch klingen, denn wenn man den Ball ins Rollen bringt, wird er irgendwann ausgerollt sein und liegen bleiben. Wo ist die Kraft, die ihn abbremst, wie Newton es in seinen Gesetzen verlangt? Sie ist da und es ist die Reibungskraft. Dies kann man ganz leicht zeigen. Jeder von uns hat schon mal einen Airhockey-Tisch gesehen. Jetzt stellt man sich vor, man stoße so einen Puck nur ganz leicht an. Er wird das andere Ende des Tisches ganz leicht erreichen. Wenn man aber den Puck auf den Boden legt und ihn dort leicht anstößt, wird er sich kaum einen Zentimeter bewegen und dort liegen bleiben. Also ohne Kraft die auf das Objekt wirkt, behält es seine Bewegung bei.
Das zweite Axiom beschreibt eine der wichtigsten Formeln der Physik. . Viel mehr ist zu diesem Gesetz nicht zusagen. Man findet es aber annährend überall in der Physik.
Das letzte Gesetz ist vielleicht auch nicht sofort einleuchtend, aber mit dem folgendem Gedankenexperiment ist es ganz einfach. Man nimmt einen Ball und lässt ihn aus der Luft auf den Boden fallen. Er fliegt nach unten, weil auf ihn die Erdbeschleunigung wirkt und ihn deshalb nach unten zieht. Es wirkt nach dem zweiten newtonschen Axiom eine Kraft auf ihn. Legt man den Ball aber auf den Boden, fällt er nicht nach unten, aber es wirkt trotzdem die gleiche Kraft auf ihn. Da er sich aber nicht bewegt, muss eine zweite Kraft auf ihn einwirken, die die erste aufhebt und das ist diese gleichgroße gegengerichtete Kraft.