1. Newtonsche Axiom – Trägheitsprinzip

1. Newtonsche Axiom – Trägheitsprinzip Übung

• Fasse dein Wissen über das 1. Newtonsche Axiom zusammen.

  Tipps

  Welche Eigenschaft von Körpern ist für das im 1. Newtonschen Axiom beschriebene Verhalten verantwortlich?

  Bewegt sich ein Körper gleichförmig und geradlinig, ist seine Geschwindigkeit konstant. Bewegt er sich gleichmäßig beschleunigt, nimmt seine Geschwindigkeit stetig zu.

  Berücksichtige, dass die Aussage zu Kraft und Geschwindigkeit nicht umkehrbar ist.

  Lösung

  Für das im 1. Newtonschen Axiom beschriebene Verhalten von Körpern ist die Trägheit der Masse verantwortlich. Darum heißt dieses Axiom auch Trägheitsprinzip.

  Der beschriebene Fall des Meteors, der sich ohne die Einwirkung von Kräften bewegt, ist relativ selten. Liegt er vor, so bewegt sich der Meteor oder jede andere Körper nach dem 1. Newtonschen Axiom gleichförmig und geradlinig weiter, also mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Impuls.

  Umgekehrt gilt aber nicht, dass auf einen Körper, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, keine Kräfte wirken. Dies kann der Fall sein, muss aber nicht. Häufig hat sich in diesen Beispielen ein Kräftegleichgewicht aus in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Kräften eingestellt wie beim Fallschirmspringer zwischen Gewichtskraft und Reibungskraft. Genauso wenig gilt übrigens, dass auf einen ruhenden Körper keine Kräfte wirken. Auch hier liegt häufig ein Kräftegleichgewicht vor.

• Beschreibe die physikalischen Begriffe Trägheit und Äquivalenzprinzip.

  Tipps

  Der Trägheitsbegriff weist durchaus Parallelen zur Umgangssprache auf.

  Die Überlegungen zur trägen und schweren Masse sind eher theoretischer Natur. Lass dich davon nicht verwirren.

  Lösung

  Der physikalische Trägheitsbegriff weist viele Parallelen dazu auf, wie wir den Begriff Trägheit in der Umgangssprache verwenden: Umgangssprachlich ist man träge, wenn man antriebslos ist und sich nicht bewegen oder nichts tun möchte. Diesen Zustand verlässt man dann meist aufgrund von äußeren Zwängen, weil man etwas zu erledigen hat. Man möchte aber lieber in seinem Zustand verharren und das trifft ja auf Körper auch im physikalischen Sinne zu: Sie wollen in ihrer Ruheposition bleiben oder sich weiter gleichförmig und geradlinig fortbewegen. Nur ein äußerer Zwang, also eine Kraft, kann dieses Bestreben unterbinden.

  Wie du gehört hast, ist das Äquivalenzprinzip immer noch Grund für Diskussionen unter den Physikern. Wichtig ist deshalb besonders die Schlussfolgerung aus dem Prinzip: Egal, mit welchen Mitteln du experimentell die Masse eines Körpers bestimmst (also seine träge oder seine schwere Masse), der Wert ist immer für alle Kontexte gültig.

• Ermittle, welche der gezeigten Körper sich gleichförmig und geradlinig bewegt oder ruht.

  Tipps

  Die Summe aller Kräfte auf den Körper muss Null sein.

  Sind die Pfeile der Kräfte, die sich gegenseitig aufheben sollen, gleich lang?

  Zeigen die Pfeile der Kräfte, die sich gegenseitig aufheben sollen, genau in entgegengesetzte Richtungen?

  Lösung

  Nach dem 1. Newtonschen Axiom bewegt sich der Körper gleichförmig und geradlinig (beziehungsweise ruht), wenn keine Kräfte auf ihn wirken. Ein Körper ruht oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit aber auch dann, wenn alle eventuell angreifenden Kräfte in Summe Null ergeben. Es müssen also mindestens zwei Kräfte auftreten, wenn es einen Kraftausgleich geben soll.

  Zwei Kräfte heben sich in ihrer Wirkung gegenseitig auf, wenn sie am selben Punkt angreifen, gleich groß sind und genau in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Ist eines dieser Merkmale nicht erfüllt, wird der Körper beschleunigt. Viele Kräfte können sich dabei auch paarweise aufheben.

• Vergleiche den freien Fall einer Vogelfeder im Vakuum und in der Atmosphäre.

  Tipps

  Benenne die gesuchten Kräfte und anderen Fachbegriffe physikalisch möglichst genau.

  Lösung

  Wie sich ein Körper im Gravitationsfeld der Erde bewegt, hängt davon ab, ob außer der Anziehungskraft noch weitere Kräfte auf ihn einwirken. Die Bewegung im Vakuum muss bei Experimenten künstlich erzeugt werden. Unter realen Bedingungen wirken hingegen immer Reibungskräfte zwischen Körper und Luft. Dadurch stellt sich nach einiger Zeit das beschriebene Gleichgewicht zwischen beschleunigender Gewichtskraft und verzögernder Reibungskraft ein, so dass sich Körper wie die Vogelfeder oder der Fallschirmspringer dann gleichförmig und geradlinig bewegen.

• Nenne das 1. Newtonsche Axiom.

  Tipps

  Finde zunächst Satzanfang und Satzende.

  Bringe die restlichen Satzteile in eine logische Reihenfolge.

  Lösung

  Anders ausgedrückt kann man das 1. Newtonsche Axiom zum Beispiel auch so umschreiben: Wirkt auf einen Körper keine Kraft, so verharrt er in seinem natürlichen Bewegungszustand. Das kann entweder die Ruhelage sein oder die gleichförmige und geradlinige Bewegung. Diese Bewegungszustände sind somit die beiden natürlichen Zustände eines Körpers. Soll ein Körper seinen natürlichen Zustand verlassen, muss von außen eine Kraft wirken.

• Erkläre den scheinbaren Widerspruch zum 1. Newtonschen Axiom.

  Tipps

  Welche der genannten Kräfte spielen hier überhaupt eine entscheidende Rolle?

  Der Gewichtskraft von Max und dem Fahrrad wirkt die Kraft der Straße entgegen.

  In welche Richtung wirkt die Antriebskraft von Max? Welche Kraft kommt somit von der Ausrichtung her als Gegenspieler in Betracht?

  Lösung

  Die Bewegung von Max auf dem Fahrrad ist nicht kräftefrei. Im 1. Newtonschen Axiom lautet die Aussage, dass im Falle von Kräftefreiheit eine gleichförmige und geradlinige Bewegung vorliegt. Umgekehrt können aber bei gleichförmigen und geradlinigen Bewegungen durchaus Kräfte auftreten. Insgesamt darf keine Kraft wirken. Die auftretenden Kräfte heben sich in dem Beispiel aber gegenseitig auf, sodass die Summe der Kräfte auf Max und das Fahrrad Null ist. Die Gewichtskraft von Max und dem Fahrrad wird durch die entgegengesetzt wirkende Kraft der Straße ausgeglichen. Die Antriebskraft, die Max aufbringen muss, dient dazu, die Reibungskräfte auszugleichen, die das Fahrrad sonst stetig verlangsamen würden. Damit erklärt sich die gleichförmige und geradlinige Bewegung.

  Isaac Newton formulierte auf der Basis seiner Vorgänger übrigens insgesamt drei Gesetzmäßigkeiten, die die Grundlagen der Bewegung von Körpern beschreiben.

  Dem 1. Newtonsche Axiom, dem Trägheitsprinzip, schließen sich das Aktionsprinzip (2. Newtonsches Axiom) und das Wechselwirkungsprinzip (3. Newtonsches Axiom) an.