Grundlagen der Physik: Newtonsche Gesetze, Energie & Wärme

Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder in gleichförmiger, geradliniger Bewegung, sofern keine resultierende Kraft auf ihn wirkt, die seinen Zustand ändert.

Die Änderung der Bewegung ist proportional zur wirkenden Kraft und erfolgt in Richtung dieser Kraft. Mathematisch wird dies oft als F = m·a formuliert, wobei F die Kraft, m die Masse und a die Beschleunigung ist.

Bei jeder Aktion gibt es stets eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion: Die wechselseitigen Kräfte zwischen zwei Körpern sind immer gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.

Physik (von lat. physica und griech. physis) ist die naturwissenschaftliche Disziplin, die die Eigenschaften des Raums, der Zeit, der Materie und der Energie sowie deren Wechselwirkungen untersucht.

Die Wärme ist eine Form von Energie, die durch chemische Reaktionen (z. B. Verbrennung), Kernreaktionen (z. B. nukleare Fusion, wie sie in der Sonne stattfindet), elektromagnetische Strahlung (z. B. Mikrowellen) oder durch mechanische Dissipation (Reibung) erzeugt werden kann. Das zugrundeliegende Konzept ist mit dem nullten Hauptsatz der Thermodynamik verbunden, der besagt, dass zwei miteinander in Kontakt stehende Körper Energie austauschen, bis ihre Temperatur gleich ist und thermisches Gleichgewicht erreicht ist.

Thermische Energie bezeichnet die Energie, die als Wärme freigesetzt werden kann. Sie kann aus verschiedenen Quellen stammen, z. B. aus chemischer Energie durch eine exotherme Reaktion wie der Verbrennung von Treibstoff, aus einer Kernreaktion (z. B. Spaltung oder Fusion), durch elektrische Effekte (Joule-Effekt) oder thermoelektrische Effekte (Peltier-Effekt), oder durch mechanische Reibung als Nebenprodukt anderer mechanischer oder chemischer Prozesse. Thermische Energie kann auch aus natürlichen Quellen genutzt werden, z. B. Geothermie oder Solarthermie.

Geschwindigkeit ist eine physikalische Größe, die die Änderung der Position eines Objekts in Bezug auf die Zeit beschreibt, also die Wegänderung pro Zeiteinheit. Sie wird üblicherweise durch den Vektor dargestellt. Man unterscheidet zwischen momentaner Geschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit usw. Die SI-Einheit der Geschwindigkeit ist Meter pro Sekunde (m·s^-1).

Die Zeit ist eine physikalische Größe, die die Dauer oder die Reihenfolge von Ereignissen misst. Zeit erlaubt es, Ereignisse zu ordnen und bildet die Begriffe Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Sie ist eine Grundlage für den Grundsatz der Kausalität, der eine der Axiome der wissenschaftlichen Methode darstellt.

Temperatur ist eine Größe, die unser alltägliches Empfinden von heiß oder kalt quantifiziert. In der Physik ist Temperatur eine skalare Größe, die mit der inneren Energie eines thermodynamischen Systems zusammenhängt. Genauer gesagt wird die als "fühlbare" (sensible) Energie bezeichnete Komponente der inneren Energie, die mit der Bewegung der Teilchen im System verbunden ist (translationale, rotatorische oder schwingungsbezogene Bewegungsanteile), als Ursache für die Temperatur betrachtet: Je mehr solche Energie in einem System vorhanden ist, desto höher ist seine Temperatur.

Kraft ist alles, was eine Änderung der Geschwindigkeit (Beschleunigung) oder der Form von Objekten hervorrufen kann. Kräfte werden häufig mit Anstrengung oder Energie verwechselt, sind aber eine eigenständige physikalische Größe, gemessen in der SI-Einheit Newton (N). Kraft ist ein Vektor und kann Bewegungen hervorrufen, verformen oder die Trägheit eines Körpers überwinden. Im allgemeinen Sprachgebrauch spricht man von der Kraft, die auf ein Objekt wirkt, ohne stets das zweite Objekt zu nennen, das die Wechselwirkung verursacht. Beispiele sind das Erzeugen einer Beschleunigung, die Änderung der Richtung oder die Verformung eines Körpers.

Der Begriff Energie (von griechisch energeia, Tätigkeit; von energos = tätig) hat verschiedene Bedeutungen, bezieht sich aber im Kern auf die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder Prozesse anzutreiben. In der Physik wird Energie oft als die Fähigkeit definiert, Arbeit zu verrichten. In Technik und Wirtschaft wird der Begriff "Energie" auch verwendet, um natürliche Ressourcen und die Technologien zu beschreiben, mit denen sie genutzt werden.

Gravitation, auch Schwerkraft genannt, ist die Anziehungskraft, die zwischen allen Massen wirkt. Sie ist eine fundamentale Wechselwirkung, die dafür sorgt, dass sich Massen gegenseitig anziehen.