Newtonsche Axiome und Dynamik realer Bewegungen
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.
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 folgt . 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.
Zweites Axiom: Grundgleichung der Mechanik
Die resultierende Kraft ist die Vektorsumme aller Kräfte auf einen Körper der Masse . Er wird in Richtung dieser Kraft beschleunigt, und zwar umso weniger, je größer ist (Grundgleichung unten). Sie gilt komponentenweise: und . Die Einheit der Kraft folgt daraus: .
Allgemeiner ist die Kraft die Änderungsrate des Impulses (Einheit kg m/s). Bei konstanter Masse ist das dasselbe, denn . Den Impuls behandelt die Lektion über Impuls und Impulserhaltung genauer.
Drittes Axiom: Wechselwirkungsprinzip
Übt ein Körper A auf einen Körper B die Kraft aus, übt B auf A zugleich die Kraft 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 .
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 an. Zwei Kräfte brauchst du fast immer:
- Reibungskraft: Die Gleitreibung ist mit der Normalkraft und der Gleitreibungszahl . Sie zeigt der Bewegung entgegen. Die Haftreibung hält ruhende Körper und ist höchstens .
- Luftwiderstand: Bei Alltagsgeschwindigkeiten (Rad, Auto, Fallschirm) gilt mit dem Widerstandsbeiwert (Formfaktor), der Luftdichte (etwa ) und der Querschnittsfläche . Er wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und zeigt ihr entgegen.
Kiste auf rauem Boden
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 N. Reibung: N, gegen die Bewegung. Resultierende Kraft: N. Beschleunigung: . Genauer gerechnet ( N) sind es .
Wagen mit Zuggewicht
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 ?
Zwei Körper, zwei Bilanzen, gleiche Beschleunigung , solange der Faden straff bleibt. Wagen (Achse nach rechts): . Gewicht (Achse nach unten): . Addieren ergibt , also .
Fadenkraft: N. Sie ist kleiner als die Gewichtskraft N des Gewichts, weil dieses nach unten beschleunigt wird.
Modellierung realer Bewegungen
Mit Luftwiderstand hängt die Kraft von der Geschwindigkeit ab, also auch die Beschleunigung. Dann gibt es keine einfache Formel , und du rechnest schrittweise: Aus dem Zustand zur Zeit berechnest du und daraus . Für ein kurzes ist die neue Geschwindigkeit und der neue Ort . Dann beginnst du von vorn. Kleine Schritte machen die Rechnung genauer. Auf Dauer nähert sich der Endgeschwindigkeit , bei der und damit gilt:
Fallschirmspringer ohne geöffneten Schirm
Fallschirmspringer ohne geöffneten Schirm
Angenommen sind: Masse mit Ausrüstung 80 kg, , , . Bestimme die Endgeschwindigkeit und rechne die ersten Sekunden schrittweise mit s.
Es ist , also in N (mit in m/s). Die Gewichtskraft beträgt N. Endgeschwindigkeit: m/s, das sind etwa 156 km/h.
Schrittweise (, dann des nächsten Schritts s):
| t in s | v in m/s | Luftwiderstand in N | a in m/s² |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 9,8 |
| 1 | 9,8 | 40 | 9,3 |
| 2 | 19,1 | 153 | 7,9 |
| 3 | 27,0 | 306 | 6,0 |
| 4 | 33,0 | 457 | 4,1 |
Die Geschwindigkeit steigt, die Beschleunigung sinkt, und nähert sich 43 m/s. Ein Schritt von 1 s ist grob. Mit kleineren Schritten wird das Ergebnis genauer.
Gewichtskraft und Normalkraft als Kraftpaar
Gewichtskraft und Normalkraft als Kraftpaar
„Ein ruhender Körper: Gewichtskraft und Normalkraft sind Kraft und Gegenkraft nach dem dritten Axiom.“
Beide greifen am selben Körper an. Sie heben sich auf, weil 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.
Bewegung braucht Kraft
Bewegung braucht Kraft
„Ein Körper bewegt sich nur, solange eine Kraft in Bewegungsrichtung auf ihn wirkt.“
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: , allgemeiner mit dem Impuls .
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, ansetzen.
Gleitreibung , Luftwiderstand .
Hängt die Kraft von der Geschwindigkeit ab, rechnest du schrittweise. Bei ist die Endgeschwindigkeit erreicht.
Übungen
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 .
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?
Auf einen fallenden Körper (2,0 kg) wirkt der Luftwiderstand mit (angenommen). Wie groß ist seine Endgeschwindigkeit, in m/s? Rechne mit .
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?
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.