Objekte widerstehen Veränderungen

Newtons erstes Gesetz

Ein Objekt in Ruhe bleibt in Ruhe, und ein Objekt in Bewegung bleibt in Bewegung mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung – es sei denn, es wird von einer unausgeglichenen Kraft beeinflusst.

Diese Eigenschaft heißt Trägheit. Alles im Universum widersetzt sich einer Änderung seiner Bewegung.

Ein Buch, das auf einem Tisch sitzt, wird dort ewig sitzen bleiben, es sei denn, etwas drückt es. Ein Hockeypuck, der auf reibungslosem Eis gleitet, würde in einer geraden Linie ewig gleiten, es sei denn, etwas hält ihn an.

Das war revolutionär. Vor Newton gingen die Menschen davon aus, dass sich Objekte natürlicherweise verlangsamen. Newton erkannte, dass Verlangsamen nicht natürlich ist – es geschieht nur wegen Kräften wie Reibung und Luftwiderstand.

Trägheit im Alltag

Du erlebst Trägheit jeden Tag

Sicherheitsgurte existieren wegen der Trägheit. Wenn ein Auto plötzlich stoppt, stoppst du nicht mit dem Auto – dein Körper bewegt sich weiterhin mit der ursprünglichen Geschwindigkeit des Autos nach vorne. Der Sicherheitsgurt ist die unausgeglichene Kraft, die dich stoppt.

Der Tischtuch-Trick funktioniert wegen der Trägheit. Die Teller sind in Ruhe und widerstehen dem Bewegen. Wenn du das Tuch schnell genug ziehst, hat die Reibung keine Zeit, die Teller zu beschleunigen, und sie bleiben liegen.

Ein Fußball auf dem Boden bleibt perfekt ruhig, bis jemand ihn tritt. Er hat keine Lust sich zu bewegen, keine Tendenz sich zu bewegen. Er ist völlig gleichgültig.

Kraft gleich Masse mal Beschleunigung

Newtons zweites Gesetz

Kraft gleich Masse mal Beschleunigung: F = ma

Das ist die nützlichste Gleichung in der ganzen Physik. Sie sagt dir drei Dinge auf einmal:

1. Je mehr Kraft du auf ein Objekt ausübst, desto mehr beschleunigt es (wird schneller, langsamer oder ändert die Richtung).

2. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto weniger beschleunigt es für die gleiche Kraft.

3. Wenn du zwei der drei Werte kennst – Kraft, Masse oder Beschleunigung – kannst du den dritten berechnen.

Masse ist die Menge an Materie, die ein Objekt enthält. Sie wird in Kilogramm gemessen.

Beschleunigung ist, wie schnell sich die Geschwindigkeit ändert. Sie wird in Metern pro Sekunde zum Quadrat gemessen (m/s²).

Kraft wird in Newton (N) gemessen – ja, die Einheit ist nach ihm benannt.

F = ma anwenden

Einkaufswagen schieben

Stell dir dieses Szenario vor: Du bist in einem Supermarkt. Du schiebst einen leeren Einkaufswagen, und er rollt leicht. Dann füllst du den Wagen mit schweren Lebensmitteln und schiebst mit der gleichen Kraft.

Jede Aktion hat eine gleiche entgegengesetzte Reaktion

Newtons drittes Gesetz

Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

Das bedeutet, dass Kräfte immer paarweise auftreten. Du kannst nicht drücken, ohne zurückgedrückt zu werden.

Wenn du gehst, drückt dein Fuß rückwärts auf den Boden, und der Boden drückt vorwärts auf dich. Dieser Vorwärtsdruck ist das, was dich bewegt.

Wenn eine Rakete startet, drückt sie nicht gegen den Boden oder die Luft. Sie wirft heißes Gas mit enormer Geschwindigkeit nach unten, und das Gas drückt mit gleicher Kraft nach oben auf die Rakete.

Wenn du schwimmst, drücken deine Hände das Wasser rückwärts, und das Wasser drückt dich nach vorne.

Die Kräfte sind immer gleich groß und entgegengesetzt ausgerichtet. Immer.

Auf der Erde springen

Eine mind-bending Frage

Wenn du springst, drücken deine Beine nach unten auf die Erde. Nach Newtons drittem Gesetz drückt die Erde mit gleicher Kraft nach oben auf dich – das ist das, was dich in die Luft wirft.

Aber hier ist das Seltsame: Wenn du mit der gleichen Kraft nach unten auf die Erde drückst, mit der die Erde nach oben auf dich drückt, dann sind die Kräfte gleich. Du fliegst nach oben. Also sollte die Erde nach unten bewegen.

Universelle Gravitation

Newtons Gesetz der universellen Gravitation

Newton erkannte, dass die gleiche Kraft, die einen Apfel von einem Baum fallen lässt, die gleiche Kraft ist, die den Mond um die Erde umkreisen lässt.

Jedes Objekt mit Masse zieht jedes andere Objekt mit Masse an. Die Stärke der Anziehung hängt von zwei Dingen ab:

1. Masse: Massivere Objekte ziehen stärker.

2. Entfernung: Objekte, die weiter auseinander sind, ziehen schwächer. Die Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab – doppelte Entfernung bedeutet ein Viertel der Anziehung.

Gewicht vs. Masse

Masse ist die Menge an Materie in dir. Sie ändert sich nicht, egal wo du bist.

Gewicht ist die Gravitationskraft, die auf deine Masse wirkt. Es ändert sich, je nachdem wo du bist.

Auf dem Mond hast du die gleiche Masse, aber ein Sechstel des Gewichts, weil die Gravitation des Mondes schwächer ist.

Warum fällt der Mond nicht?

Er fällt – ständig. Aber er bewegt sich auch seitwärts so schnell, dass die Erde unter ihm gekrümmt ist, während er fällt. Er fällt immer weiter und verfehlt immer den Boden. Das ist das, was eine Umlaufbahn ist: Fallen und Verfehlen des Bodens auf ewig.

Schwerelos, aber nicht gravitationsfrei

Das Raumstation-Rätsel

Astronauten auf der Internationalen Raumstation schweben herum, als wären sie schwerelos. Du hast wahrscheinlich die Videos gesehen – sie wirbeln herum, Wasser bildet schwebende Tropfen, und nichts fällt.

Hier ist die überraschende Tatsache: Die ISS umkreist etwa 400 km über der Erde. In dieser Höhe ist die Gravitation immer noch etwa 90% so stark wie auf der Oberfläche.

Newtons Gesetze in der realen Welt

Kräfte in Technik und Sport

Jede Struktur, jedes Fahrzeug und jeder Sport auf der Erde folgt Newtons Gesetzen.

Brücken müssen alle Kräfte ausgleichen, um still zu bleiben (Erstes Gesetz). Ingenieure berechnen das Gewicht des Verkehrs (Zweites Gesetz) und stellen sicher, dass jeder Träger mit gleicher Kraft zurückdrückt (Drittes Gesetz).

Raketen funktionieren rein nach dem dritten Gesetz – Materie in eine Richtung werfen, um in der anderen zu beschleunigen. Es gibt keine Luft zum Drücken im Weltall. Das Abgas geht nach unten; die Rakete geht nach oben.

Sport ist angewandte Physik. Ein Baseballschläger überträgt Kraft auf einen Ball (Zweites Gesetz). Ein Sprinter drückt auf den Startblöcken rückwärts und die Blöcke drücken ihn nach vorne (Drittes Gesetz). Ein Hockeypuck gleitet über Eis mit minimalem Widerstand und demonstriert das erste Gesetz.

Jedes Mal, wenn ein Ingenieur ein Auto, eine Brücke oder ein Raumschiff entwirft, löst er Newtons Gleichungen.

Physik in deinem Lieblingssport

Jetzt bist du an der Reihe

Wende jetzt an, was du gelernt hast.