Lektion 1.2

Newtonsche Axiome und Dynamik realer Bewegungen

20 min Lesezeit

Ein Bus bremst plötzlich, und du taumelst nach vorn, obwohl dich niemand zieht. Ein Fallschirmspringer wird zuerst immer schneller und später nicht mehr, obwohl die Erde weiter an ihm zieht. Ein Puck gleitet auf dem Eis fast ewig weiter, eine angestoßene Kiste auf dem Boden bleibt bald stehen.

Diese Fälle fasst du in drei Gesetzen zusammen, die Isaac Newton 1687 formulierte. Du lernst, wie du damit die Kräfte an einem Körper bilanzierst, Reibung und Luftwiderstand einbaust und aus den Kräften die Bewegung berechnest.

Definition

Erstes Axiom: Trägheitsgesetz und Inertialsystem

Ein Körper, auf den keine Kraft wirkt oder dessen Kräfte sich zu null addieren, ruht oder bewegt sich gleichförmig geradlinig. Aus F⃗res=0⃗\vec{F}_{\text{res}} = \vec{0} folgt a⃗=0⃗\vec{a} = \vec{0}. Dabei kommt es auf das Bezugssystem an. Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem das Trägheitsgesetz gilt. Jedes System, das sich gegenüber einem Inertialsystem gleichförmig geradlinig bewegt, ist wieder eines.

Ein bremsender Bus ist keines. Der Fahrgast bewegt sich dort nach vorn, ohne dass eine Kraft ihn zieht. Von der Haltestelle aus fährt er einfach mit der alten Geschwindigkeit weiter, während der Bus langsamer wird. Die Erdoberfläche ist für Alltagsversuche ein gutes Inertialsystem. Ihre Drehung spielt dort kaum eine Rolle.

Definition

Zweites Axiom: Grundgleichung der Mechanik

Die resultierende Kraft F⃗res\vec{F}_{\text{res}} ist die Vektorsumme aller Kräfte auf einen Körper der Masse mm. Er wird in Richtung dieser Kraft beschleunigt, und zwar umso weniger, je größer mm ist (Grundgleichung unten). Sie gilt komponentenweise: Fx=maxF_x = m a_x und Fy=mayF_y = m a_y. Die Einheit der Kraft folgt daraus: 1 N=1 kg m/s21\,\text{N} = 1\,\text{kg m/s}^2.

Allgemeiner ist die Kraft die Änderungsrate des Impulses p⃗=mv⃗\vec{p} = m\vec{v} (Einheit kg m/s). Bei konstanter Masse ist das dasselbe, denn Δ(mv⃗)=m Δv⃗\Delta(m\vec{v}) = m\,\Delta\vec{v}. Den Impuls behandelt die Lektion über Impuls und Impulserhaltung genauer.

F⃗res=m a⃗=Δp⃗Δt\vec{F}_{\text{res}} = m\,\vec{a} = \frac{\Delta \vec{p}}{\Delta t}
Definition

Drittes Axiom: Wechselwirkungsprinzip

Übt ein Körper A auf einen Körper B die Kraft F⃗AB\vec{F}_{AB} aus, übt B auf A zugleich die Kraft F⃗BA=−F⃗AB\vec{F}_{BA} = -\vec{F}_{AB} aus: gleich groß, entgegengesetzt gerichtet, von derselben Art. Beide Kräfte greifen an verschiedenen Körpern an und heben sich deshalb nie gegenseitig auf. Die Erde zieht einen Stein nach unten, und der Stein zieht die Erde mit gleich großer Kraft nach oben. Der Stein erfährt eine große Beschleunigung, die Erde eine unmerklich kleine, denn a=F:ma = F : m.

Definition

Kräftebilanz, Reibungskraft und Luftwiderstand

Um die Bewegung eines Körpers zu berechnen, stellst du seine Kräftebilanz auf: Zeichne alle Kräfte ein, die auf diesen Körper wirken (nicht deren Gegenkräfte), wähle eine Achse, zerlege die Kräfte in Komponenten, addiere sie und setze Fres=maF_{\text{res}} = m a an. Zwei Kräfte brauchst du fast immer:

  • Reibungskraft: Die Gleitreibung ist FR=μ FNF_R = \mu\,F_N mit der Normalkraft FNF_N und der Gleitreibungszahl μ\mu. Sie zeigt der Bewegung entgegen. Die Haftreibung hält ruhende Körper und ist höchstens μHFN\mu_H F_N.
  • Luftwiderstand: Bei Alltagsgeschwindigkeiten (Rad, Auto, Fallschirm) gilt FL=12 cw ρ A v2F_L = \tfrac{1}{2}\,c_w\,\rho\,A\,v^2 mit dem Widerstandsbeiwert cwc_w (Formfaktor), der Luftdichte ρ\rho (etwa 1,2 kg/m31{,}2\,\text{kg/m}^3) und der Querschnittsfläche AA. Er wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und zeigt ihr entgegen.
Beispiel

Kiste auf rauem Boden

Eine Kiste (50 kg) wird auf waagerechtem Boden mit 200 N waagerecht gezogen. Die Gleitreibungszahl ist 0,25. Welche Beschleunigung hat sie?

Senkrecht gibt es keine Beschleunigung, also FN=mg=50⋅9,81≈491F_N = m g = 50 \cdot 9{,}81 \approx 491 N. Reibung: FR=0,25⋅491≈123F_R = 0{,}25 \cdot 491 \approx 123 N, gegen die Bewegung. Resultierende Kraft: Fres=200−123=77F_{\text{res}} = 200 - 123 = 77 N. Beschleunigung: a=77:50≈1,5 m/s2a = 77 : 50 \approx 1{,}5\,\text{m/s}^2. Genauer gerechnet (FR=122,6F_R = 122{,}6 N) sind es 1,55 m/s21{,}55\,\text{m/s}^2.

Beispiel

Wagen mit Zuggewicht

Ein Wagen (0,45 kg) liegt reibungsfrei auf einer waagerechten Bahn. Ein Faden läuft über eine Rolle zu einem Gewicht (0,050 kg), das nach unten fällt. Faden und Rolle haben vernachlässigbare Masse. Wie groß sind die Beschleunigung und die Fadenkraft FTF_T?

Zwei Körper, zwei Bilanzen, gleiche Beschleunigung aa, solange der Faden straff bleibt. Wagen (Achse nach rechts): FT=mWaF_T = m_W a. Gewicht (Achse nach unten): mZg−FT=mZam_Z g - F_T = m_Z a. Addieren ergibt mZg=(mW+mZ) am_Z g = (m_W + m_Z)\,a, also a=0,050⋅9,81:0,50≈0,98 m/s2a = 0{,}050 \cdot 9{,}81 : 0{,}50 \approx 0{,}98\,\text{m/s}^2.

Fadenkraft: FT=0,45⋅0,981≈0,44F_T = 0{,}45 \cdot 0{,}981 \approx 0{,}44 N. Sie ist kleiner als die Gewichtskraft mZg≈0,49m_Z g \approx 0{,}49 N des Gewichts, weil dieses nach unten beschleunigt wird.

Der Wagen mit Zuggewicht

Drücke „Start“. Der Wagen (0,45 kg) wird von einem Zuggewicht (0,050 kg) gezogen und legt 1 m zurück. Unter dem Bild stehen Zeit, Weg und Geschwindigkeit, im Diagramm wächst der Weg als Parabel. Lies am Ende die Zeit ab und berechne a = 2 · s : t² mit s = 1 m. Vergleiche mit dem Ergebnis des Beispiels.

Definition

Modellierung realer Bewegungen

Mit Luftwiderstand hängt die Kraft von der Geschwindigkeit ab, also auch die Beschleunigung. Dann gibt es keine einfache Formel s(t)s(t), und du rechnest schrittweise: Aus dem Zustand zur Zeit tt berechnest du FresF_{\text{res}} und daraus aa. Für ein kurzes Δt\Delta t ist die neue Geschwindigkeit v+a Δtv + a\,\Delta t und der neue Ort s+v Δts + v\,\Delta t. Dann beginnst du von vorn. Kleine Schritte machen die Rechnung genauer. Auf Dauer nähert sich vv der Endgeschwindigkeit vEv_E, bei der FL=mgF_L = m g und damit a=0a = 0 gilt:

vE=2 m gcw ρ Av_E = \sqrt{\frac{2\,m\,g}{c_w\,\rho\,A}}
Beispiel

Fallschirmspringer ohne geöffneten Schirm

Angenommen sind: Masse mit Ausrüstung 80 kg, cw=1,0c_w = 1{,}0, A=0,70 m2A = 0{,}70\,\text{m}^2, ρ=1,2 kg/m3\rho = 1{,}2\,\text{kg/m}^3. Bestimme die Endgeschwindigkeit und rechne die ersten Sekunden schrittweise mit Δt=1\Delta t = 1 s.

Es ist 12cwρA=0,42 kg/m\tfrac{1}{2} c_w \rho A = 0{,}42\,\text{kg/m}, also FL=0,42 v2F_L = 0{,}42\,v^2 in N (mit vv in m/s). Die Gewichtskraft beträgt 80⋅9,81≈78580 \cdot 9{,}81 \approx 785 N. Endgeschwindigkeit: vE=785:0,42≈43v_E = \sqrt{785 : 0{,}42} \approx 43 m/s, das sind etwa 156 km/h.

Schrittweise (a=(785−FL):80a = (785 - F_L) : 80, dann vv des nächsten Schritts =v+a⋅1= v + a \cdot 1 s):

t in sv in m/sLuftwiderstand in Na in m/s²
0009,8
19,8409,3
219,11537,9
327,03066,0
433,04574,1

Die Geschwindigkeit steigt, die Beschleunigung sinkt, und vv nähert sich 43 m/s. Ein Schritt von 1 s ist grob. Mit kleineren Schritten wird das Ergebnis genauer.

Häufige Fehler

Gewichtskraft und Normalkraft als Kraftpaar

„Ein ruhender Körper: Gewichtskraft und Normalkraft sind Kraft und Gegenkraft nach dem dritten Axiom.“

Richtig ist

Beide greifen am selben Körper an. Sie heben sich auf, weil Fres=0F_{\text{res}} = 0 ist. Kraft und Gegenkraft greifen an verschiedenen Körpern an. Zur Gewichtskraft (Erde zieht am Körper) gehört die Kraft, mit der der Körper die Erde anzieht. Zur Normalkraft (Unterlage trägt den Körper) gehört die Kraft, mit der der Körper auf die Unterlage drückt.

Häufige Fehler

Bewegung braucht Kraft

„Ein Körper bewegt sich nur, solange eine Kraft in Bewegungsrichtung auf ihn wirkt.“

Richtig ist

Ohne Kraft bleibt die Geschwindigkeit erhalten. Eine Kraft ändert die Geschwindigkeit. Die Kiste auf dem Boden bleibt stehen, weil die Reibungskraft sie bremst. Ein Auto mit konstanter Geschwindigkeit steht im Kräftegleichgewicht: Die Antriebskraft ist so groß wie die Summe aus Reibung und Luftwiderstand.

Zusammenfassung

  • Erstes Axiom: Ist die resultierende Kraft null, ruht der Körper oder bewegt sich gleichförmig geradlinig, und zwar in einem Inertialsystem. Ein beschleunigtes System ist keines.

  • Zweites Axiom: F⃗res=ma⃗\vec{F}_{\text{res}} = m\vec{a}, allgemeiner F⃗res=Δp⃗:Δt\vec{F}_{\text{res}} = \Delta\vec{p} : \Delta t mit dem Impuls p⃗=mv⃗\vec{p} = m\vec{v}.

  • Drittes Axiom: Kraft und Gegenkraft sind gleich groß, entgegengesetzt und greifen an verschiedenen Körpern an.

  • Kräftebilanz: Kräfte auf einen Körper einzeichnen, Achse wählen, Komponenten addieren, Fres=maF_{\text{res}} = m a ansetzen.

  • Gleitreibung FR=μFNF_R = \mu F_N, Luftwiderstand FL=12cwρAv2F_L = \frac{1}{2} c_w \rho A v^2.

  • Hängt die Kraft von der Geschwindigkeit ab, rechnest du schrittweise. Bei FL=mgF_L = m g ist die Endgeschwindigkeit erreicht.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Ein Block (4,0 kg) gleitet auf waagerechtem Boden und wird mit 20 N waagerecht gezogen. Die Gleitreibungszahl ist 0,30. Wie groß ist seine Beschleunigung, in m/s²? Rechne mit g=9,81 m/s2g = 9{,}81\,\text{m/s}^2.

Aufgabe 2Multiple Choice

Ein Buch liegt in Ruhe auf einem Tisch. Die Erde zieht mit der Gewichtskraft am Buch. Welche Kraft ist die Gegenkraft dazu nach dem dritten Axiom?

Aufgabe 3Numerisch

Auf einen fallenden Körper (2,0 kg) wirkt der Luftwiderstand FL=k v2F_L = k\,v^2 mit k=0,20 kg/mk = 0{,}20\,\text{kg/m} (angenommen). Wie groß ist seine Endgeschwindigkeit, in m/s? Rechne mit g=9,81 m/s2g = 9{,}81\,\text{m/s}^2.

Aufgabe 4Numerisch

Ein Ball (0,45 kg) fliegt mit 20 m/s und wird in 0,050 s von einem Torwart zum Stillstand abgebremst. Wie groß ist die mittlere Kraft, in N?

Aufgabe 5Freitext

Ein Fahrgast steht im Bus und taumelt beim Bremsen nach vorn. Erkläre das aus Sicht eines Beobachters an der Haltestelle, ohne eine Kraft nach vorn anzunehmen.