Newtons Bewegungsgesetze: Eine einfache Erklärung

Die Newtonschen Bewegungsgesetze

Das zweite Newtonsche Gesetz

Das zweite Newtonsche Gesetz besagt: Wenn eine Kraft auf einen Körper wirkt, wird dieser in Richtung der Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist direkt proportional zur Stärke der Kraft und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers:

a = F / m oder F = ma

Das zweite Gesetz ist aufgrund seiner expliziten Formel besonders nützlich, kann aber auch verwirrend sein, insbesondere für Physikstudierende. Das Problem liegt in folgender Überlegung: Eine Formel, in der alle Größen definiert sind, kann verwendet werden, um eine der anderen abzuleiten. Eine Formel, in der eine Größe definiert ist, kann am besten als Definition dienen, indem man diese Größe auf einer Seite des Gleichheitszeichens isoliert und sie in Bezug auf andere definiert. Eine Formel, in der zwei Größen undefiniert sind, beispielsweise A und B, ist weniger als wertlos. Sie sagt uns nichts über diese Zahlen, da jeder Wert, der für A oder B gewählt wird, immer an die Gleichung angepasst werden kann, sodass sie erfüllt ist. Dies scheint der Fall bei F = ma zu sein. Die Beschleunigung ist eine genau definierte Größe, die die Änderung der Geschwindigkeit pro Sekunde angibt (und auch eine Richtung hat). Aber was ist mit m und F? Wie kann man die Gleichung nutzen, ohne sie unabhängig voneinander zu definieren?

Gute Frage! Generationen von Physikstudierenden, und oft auch ihre Lehrer, haben damit zu kämpfen. Einige versuchten, Masse und Gewicht unter Nutzung der Schwerkraft als Werkzeug zu definieren. Ein angesehener Physikprofessor schwang seinen Arm vor der Klasse und definierte die Kraft mit der Analogie, dass sie so erzeugt wird wie durch Ihre Muskeln.

Das dritte Newtonsche Gesetz

Das dritte Gesetz, das Gesetz der Reaktion, besagt, dass Kräfte niemals einzeln auftreten, sondern immer in Paaren, die gleich und entgegengesetzt sind. Wenn ein Gewehr eine Kugel abfeuert, gibt es einen Rückstoß des Gewehrkolbens. Feuerwehrleute, die mit einem Schlauch auf ein Feuer zielen, müssen diesen sicher festhalten, denn wenn das Wasser aus ihm herausfließt, schlägt der Schlauch stark zurück (Gartensprenger funktionieren nach dem gleichen Prinzip). Ebenso beruht die Vorwärtsbewegung einer Rakete auf der raschen Reaktion des ausströmenden heißen Gases.

Wer mit kleinen Booten vertraut ist, weiß, dass es klüger ist, das Boot festzubinden, bevor man an Land springt. Andernfalls bewegt sich das Boot "magisch" von der Anklagebank weg, sodass man sehr wahrscheinlich das Gleichgewicht verliert und das Boot nicht mehr erreichen kann. Alles ist im 3. Newtonschen Gesetz enthalten: Wenn die Beine den Körper zum Dock schieben, übt das Boot eine gleiche und entgegengesetzte Kraft aus und schiebt ihn vom Dock weg.

Die Formulierung der Newtonschen Gesetze von Mach

Ernest Mach, der zwei Jahrhunderte nach Newton in Deutschland lebte, gab eine möglicherweise zufriedenstellende Antwort. Mach argumentierte, dass die Newtonschen Gesetze in einem einig waren:

"Wenn zwei kompakte Objekte ("Punktmassen" in der Sprache der Physik) aufeinander wirken, werden sie in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt, und das Verhältnis ihrer Beschleunigungen ist immer das gleiche."

Keine Erwähnung von Kräften oder Massen, nur die Beschleunigung, die gemessen werden kann. Wenn eine Waffe auf eine Kugel wirkt, eine Rakete auf einen Strahl, die Sonne auf die Erde (auf der Skala der Distanz, die Sonne und Erde trennt, können sie als kompakte Objekte betrachtet werden), sind die Beschleunigungen immer entgegengesetzt gerichtet.