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Die Newton'schen Gesetze: Einführung

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Die Autor*innen
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Lukas Neumeier
Die Newton'schen Gesetze: Einführung
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse

Beschreibung zum Video Die Newton'schen Gesetze: Einführung

Weißt du, was ein $v$-$t$-Diagramm und ein $s$-$t$-Diagramm sind und wie sie miteinander zusammenhängen? In diesem Video werden beide Diagramme einfach erklärt. Du erfährst, wie man s-t- und v-t-Diagramme zeichnet und wie man Weg und Zeit in ihnen ablesen kann. Im Anschluss an das Video kannst du dein neues Wissen mit unseren interaktiven Übungen zu diesem Thema testen.

Grundlagen zum Thema Die Newton'schen Gesetze: Einführung

Bedeutung der Newton'sche Gesetze in der Physik

Den Namen Isaac Newton hast du sicher schon einmal gehört. Immerhin ist er einer der bekanntesten Physiker der Welt. Er hat zum Beispiel grundlegende Erkenntnisse zur Gravitation gewonnen – angeblich als ihm ein Apfel auf den Kopf fiel. Er hat auch die drei Newton'schen Gesetze, auch Newton'sche Axiome genannt, formuliert. Diese drei Gesetze sind von enormer Bedeutung, denn fast die gesamte Mechanik beruht auf ihnen. Aber wie sehen diese Gesetze aus?

Das 1. Newton'sche Gesetz in der Physik

Das 1. Newton'sche Gesetz (bzw. Axiom) wird auch Trägheitsprinzip genannt. Es lautet folgendermaßen:

Ein Körper, der sich in Ruhe befindet, bleibt in Ruhe, solange keine Kräfte auf ihn wirken. Ein Körper, der sich in Bewegung befindet, bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit, solange keine Kräfte auf ihn wirken.

Der erste Teil ist leicht zu verstehen. Ein Körper, der sich nicht bewegt, wird nicht von allein beginnen, sich zu bewegen. Erst wenn eine Kraft auf den Körper wirkt, kann sich sein Bewegungszustand ändern. Man nennt diese Eigenschaft von Körpern auch Trägheit. Alle Körper sind also träge. Aber was genau ist mit dem zweiten Teil des Gesetzes gemeint?

Stell dir ein Objekt vor, das sich mit einer konstanten Geschwindigkeit $v$ in eine Richtung bewegt. Solange keine Kraft wirkt, die es bremst oder beschleunigt, wird sich dieses Objekt mit exakt dieser Geschwindigkeit weiter bewegen.
Dieses Prinzip macht sich zum Beispiel bemerkbar, wenn sich Objekte auf Kreisbahnen bewegen. Bist du schon einmal in einem Karussell gefahren? Es fühlt sich an, als würdest du nach außen gedrückt werden. In Wirklichkeit wirst du aber gar nicht nach außen gedrückt: Dein Körper will aufgrund seiner Trägheit geradeaus weiterfliegen, aber der Sitz des Karussells zwingt dich auf eine Kreisbahn.
Du kannst dir das Prinzip auch so vorstellen: Eine Kiste liegt lose auf dem Dach eines Autos. Das Auto fährt zu Beginn mit einer konstanten Geschwindigkeit geradeaus – aber dann fährt es in eine Kurve. Aufgrund ihrer Trägheit will die Kiste allerdings in ihrem Bewegungszustand – mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus – verharren. Deswegen fliegt sie vom Dach.

Newton'sche Gesetze Beispiele

Das 2. Newton'sche Gesetz in der Physik

Das 2. Newton'sche Gesetz wird auch Aktionsprinzip genannt. Es ist besonders wichtig, weil es die Grundlage für Bewegungsgleichungen in der Mechanik liefert. Es lautet folgendermaßen:

Die Änderung der Bewegung (die Beschleunigung) ist proportional zur wirkenden Kraft. Die Änderung der Bewegung erfolgt in die Richtung, in welche die Kraft wirkt.

Das 2. Newton'sche Gesetz kann auch durch folgende Formel ausgedrückt werden:

$F = m \cdot a$

Dabei ist $F$ die wirkende Kraft, $m$ die Masse des Körpers und $a$ die Beschleunigung, also die Änderung der Geschwindigkeit. An dieser Formel können wir auch ablesen, wie mächtig dieses Gesetz ist: Wenn wir die Masse eines Körpers und die wirkenden Kräfte kennen, dann kennen wir auch seine Beschleunigung. Wenn wir die Beschleunigung und die Anfangsgeschwindigkeit kennen, kennen wir die Geschwindigkeit zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Und wenn wir zusätzlich den Anfangsort kennen, dann kennen wir auch den Ort des Körpers zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Die Berechnung kann natürlich sehr kompliziert werden – trotzdem gehört das 2. Newton'sche Gesetz zu den wichtigsten Gesetzen der Mechanik.

Das 3. Newton'sche Gesetz in der Physik

Das 3. Newton'sche Gesetz wird auch Wechselwirkungsprinzip oder Reaktionsprinzip genannt. Es lautet folgendermaßen:

Wirkt eine Kraft von einem Körper $\text{A}$ auf einen Körper $\text{B}$, so wirkt eine ebenso große, aber entgegengerichtete Kraft von Körper $\text{B}$ auf Körper $\text{A}$.

Wir können das 3. Newton'sche Gesetz auch als mathematische Formel formulieren:

$F_{\text{A} \rightarrow \text{B}} = - F_{\text{B} \rightarrow \text{A}}$

Das Minuszeichen verdeutlicht, dass die Kräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken.

Zusammenfassung der Newton'schen Gesetze

  • Das 1. Newton'sche Gesetz (oder Axiom) ist das Trägheitsprinzip. Es besagt, dass ein Körper ohne äußere Krafteinwirkung in seinem Bewegungszustand verharrt.
  • Das 2. Netwon'sche Gesetz ist das Aktionsprinzip. Es besagt, dass die Bewegungsänderung (die Beschleunigung) eines Körpers proportional zur auf ihn einwirkenden Kraft ist: $F= m \cdot a$
  • Das 3. Newton'sche Gesetz ist das Wechselwirkungsprinzip oder auch Reaktionsprinzip. Es besagt, dass es zu jeder Kraft, die von einem Körper $\text{A}$ auf einen Körper $\text{B}$ einwirkt, eine gleichgroße, aber entgegengesetzte Kraft gibt, die von Körper $\text{B}$ auf Körper $\text{A}$ einwirkt: $F_{\text{A} \rightarrow \text{B}} = - F_{\text{B} \rightarrow \text{A}}$

Häufig gestellte Fragen zum Thema Newton'sche Gesetze

Welche newtonsche Gesetze gibt es?
Wie viele newtonsche Gesetze gibt es?
Wie lautet das erste newtonsche Gesetz?
Wie lautet das zweite newtonsche Gesetz?
Wie lautet das dritte newtonsche Gesetz?

Transkript Die Newton'schen Gesetze: Einführung

Hallo und herzlich willkommen zur Einführung in die geheimen Newtonschen Gesetze der Mechanik. Naja, so geheim sind sie nun auch nicht, sie stehen ja immerhin im Internet. Diese Gesetze sind so elegant wie mächtig, und fast die gesamte Mechanik beruht auf ihnen. In diesem Video werde ich dir alle Gesetze kurz vorstellen und diese dann in weiteren Videos weiter vertiefen. Also legen wir sofort mit dem Ersten Gesetz los. Es lautet: Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird. Dieses Gesetz wird auch das Trägheitsprinzip genannt. Denn mit anderen Worten sagt Newton: Ohne einwirkende Kräfte gilt: Ist der Körper in Ruhe, so bleibt er in Ruhe, ist der Körper in Bewegung, so bleibt er in Bewegung und behält seine Geschwindigkeit und Richtung bei. Das heißt, ein Körper möchte so bleiben, wie er ist. Deswegen heißt das Gesetz auch das Trägheitsprinzip. Ein Resultat dieses Naturgesetzes ist zum Beispiel die Fliehkraft. Diese Kraft kannst du selbst spüren, wenn du Karussell fährst, oder mit einem Auto oder dem Fahrrad schnell in eine Kurve fährst. Diese Kraft tritt auf, weil du eigentlich geradeaus weiter willst, aber von deiner Umgebung auf eine krumme Bahn gezwungen wirst. Hier ein Beispiel: Du hast ein Auto und eine Kiste. Weil du das Gesetz nicht kennst, denkst du, du kannst die Kiste einfach oben auf das Auto stellen, ohne sie zu befestigen. Was passiert? Genau. In der Kurve fällt die Kiste runter, weil sie träge ist und ihre Bewegung und ihre Richtung beibehalten will. Also können wir daraus entnehmen, dass die natürliche Bewegung aller Objekte die gleichförmige Bewegung ist. Beschleunigt oder abgelenkt wird ein Körper nur, wenn eine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Ein Resultat dieses Naturgesetzes ist zum Beispiel die Fliehkraft. Das war das Erste Newtonsche Gesetz. Kommen wir nun zum Zweiten. Das Zweite Newtonische Gesetz lautet:  F = m × a, also die Kraft ist gleich die Masse mal die Beschleunigung. Man nennt es auch das Aktionsprinzip. Links stehen die Kräfte, die auf einen Körper wirken, und rechts steht, wie stark dieser Körper dann beschleunigt wird, mal die Masse des Körpers. Das sieht sehr einfach aus, hat aber mit Abstand die größten Anwendungsmöglichkeiten in der Mechanik. Zur Verdeutlichung schreiben wir es mal anders auf: a = F/m. Das bedeutet jetzt, falls ein Körper mithilfe einer Kraft gestört wird in seiner trägen, gleichförmigen Bewegung, ändert sich seine Geschwindigkeit. Wie ändert sie sich? Mit der Beschleunigung a. Diese Beschleunigung ist nichts anderes, als alle Kräfte, die auf den Körper einwirken, geteilt durch seine Masse. Das heißt, kennst du die Kräfte, kennst du mit dieser Gleichung auch die Beschleunigung. Wenn du die Beschleunigung und die Anfangsgeschwindigkeit weißt, weißt du auch die Geschwindigkeit zu jedem anderen Zeitpunkt. Wenn du die Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt weißt, und de Anfangsort, weißt du auch den Ort zu jedem Zeitpunkt. Das heißt, mit dieser Gleichung kannst du die genaue Bewegung eines Körpers ausrechnen, solang du die Kräfte kennst und natürlich die dazugehörige Mathematik beherrschst. Genaueres zu diesem Gesetz wirst du auf jeden Fall noch von mir hören. Schauen wir uns zunächst das Dritte Newtonsche Gesetz an. Es lautet: F(A?B) = -F(B?A). Man nennt es auch das Reaktionsprinzip. Das bedeutet einfach nur: Wirkt eine Kraft von einem Körper A auf einen Körper B, so wirkt eine gleichgroße Kraft von Körper B auf Körper A, nur eben in die andere Richtung, das verdeutlicht das Minuszeichen. Ein Beispiel verdeutlicht das Gravitationsgesetz. Nach diesem Beispiel ziehst du die Erde genauso stark an, wie die Erde dich. Das stimmt auch soweit, aber warum fühlt sich das dann so an, als ob nur die Erde dich anzieht? Das liegt daran, dass du, wenn du von einem Stuhl springst, nach dem Zweiten Newtonschen Gesetz beschleunigt wirst, also mit a = F/m. Dabei steht jetzt deine Masse im Nenner. Die Erde wird nach dem gleichen Gesetz beschleunigt. Jetzt steht aber die Masse der Erde im Nenner, die ja, wie du weißt, viel viel schwerer ist als du. Deshalb wird die Erde praktisch nicht beschleunigt, aber du sehr viel. Trotzdem sind die Kräfte, die auf dich und die Erde wirken, vom Betrag her genau gleichgroß. Das war eine Einführung in die Newtonschen Gesetze. Präge sie dir gut ein, denn mit ihnen werden wir in weiteren Videos ein wenig arbeiten. Hier hast du noch mal die drei Newtonschen Gesetze zusammengefasst:  Das Erste Wenn keine Kraft auf den Körper wirkt, gilt Folgendes: Ist der Körper in Ruhe, bleibt er in Ruhe. Ist der Körper in Bewegung, bleibt er in Bewegung und hält Geschwindigkeit und Richtung bei. Das Zweite F = m × a. Die Kraft, die auf einen Körper wirkt, bestimmt dessen Beschleunigung. Das Dritte F(A?B) = -F(B?A). Wenn die Erde dich anzieht, ziehst du sie genauso stark an. Nur die unterschiedlichen Massen sorgen für unterschiedliches Verhalten. Also gut, damit bedanke ich mich fürs Zuhören und sage bis bald! Ciao, ciao!    

19 Kommentare
19 Kommentare
  1. Hallo K Scholzx, vielen Dank für das positive Feedback. Es freut uns zu hören, dass dir das Video so gut gefällt. Viel Spaß weiterhin mit unseren Inhalten.
    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Albrecht K., vor etwa 3 Jahren
  2. Toll gemacht. Ich mag das, wenn jemand, dass was er schreibt mit anderen Worten erklärt, anstatt einfach nur zu wiederholen was er schreibt, dann schläft meine Aufmerksamkeit ein. Und natürlich schön, wegen des Humors, gefallen mir seine Videos. Klug gemacht und dabei so einfach!!!

    Von K Scholzx, vor etwa 3 Jahren
  3. ein Handy klingt besser

    Von Wenzel P., vor etwa 4 Jahren
  4. @Andrea Wuenderlich,

    als das Video vor 6 Jahren produziert wurde entsprach es dem Stand unserer Produktionstechnik.

    Daher kann ich dir versichern, dass es sich tatsächlich um ein echtes Mikrofon gehandelt hat.

    Kartoffeln sind zur Audioaufzeichnung wegen zentraler fehlenden Bauteile auch nicht geeignet. Doch wenn du sie mit einer Batterie als Spannungsquelle, und einer Leiterschlaufe verbindest und diese dann, wegen der Masse der Kartoffel, sehr beweglich in einer Spule einbringst, würde in dieser, sobald sich die Kartoffel durch die Schallwellen bewegt, eine Spannung induziert werden, welche dann einem Signal entsprechen würde, welches als Tonsignal abgespeichert werden könnte.

    Zudem wird das normale Lautsprechermikrofon in früheren Zeiten wegen seiner Form, auch mit dem Spitznamen "Kartoffel" betitelt.

    Also liegst du gar nicht mal so falsch mit deiner Aussage.

    Von Karsten S., vor etwa 7 Jahren
  5. Hast du das mit eine Kartoffel als Mikrophon aufgenommen

    Von Andrea Wuenderlich, vor etwa 7 Jahren
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