NEWTONS ERSTES GESETZ: FORMELN, EXPERIMENTE UND ÜBUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Das erste Newtonsche Gesetz , auch als Trägheitsgesetz bekannt, wurde zuerst von Isaac Newton, Physiker, Mathematiker, Philosoph, Theologe, englischer Erfinder und Alchemist, vorgeschlagen. Dieses Gesetz besagt Folgendes: "Wenn ein Objekt keiner Kraft ausgesetzt ist oder wenn sich die auf es einwirkenden Kräfte gegenseitig aufheben, bewegt es sich mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie weiter."

In dieser Anweisung wird das Schlüsselwort is fortgesetzt. Wenn die Prämissen des Gesetzes erfüllt sind, setzt das Objekt seine Bewegung wie bisher fort. Es sei denn, eine unausgeglichene Kraft tritt auf und ändert den Bewegungszustand.

Erklärung von Newtons erstem Gesetz. Quelle: selbst gemacht.

Dies bedeutet, dass das Objekt, wenn es sich in Ruhe befindet, weiterhin ruht, es sei denn, eine Kraft nimmt es aus diesem Zustand heraus. Dies bedeutet auch, dass sich ein Objekt, wenn es sich mit einer festen Geschwindigkeit in einer geraden Richtung bewegt, weiterhin auf diese Weise bewegt. Es ändert sich nur, wenn ein externer Agent eine Kraft auf ihn ausübt und seine Geschwindigkeit ändert.

Hintergrund des Gesetzes

Isaac Newton wurde am 4. Januar 1643 in Woolsthorpe Manor (Großbritannien) geboren und starb 1727 in London.

Das genaue Datum, an dem Sir Isaac Newton seine drei Gesetze der Dynamik entdeckte, einschließlich des ersten Gesetzes, ist nicht mit Sicherheit bekannt. Es ist jedoch bekannt, dass es lange vor der Veröffentlichung des berühmten Buches Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie am 5. Juli 1687 war.

Das Wörterbuch der Royal Spanish Academy definiert das Wort Trägheit wie folgt:

"Eigentum von Körpern, um ihren Ruhe- oder Bewegungszustand aufrechtzuerhalten, wenn nicht durch die Einwirkung einer Kraft."

Dieser Begriff wird auch verwendet, um zu bestätigen, dass jede Situation unverändert bleibt, da keine Anstrengungen unternommen wurden, um sie zu erreichen. Daher hat das Wort Trägheit manchmal eine Konnotation von Routine oder Faulheit.

Die vor-Newtonsche Sichtweise

Vor Newton waren die vorherrschenden Ideen die des großen griechischen Philosophen Aristoteles, der bestätigte, dass eine Kraft darauf einwirken muss, damit ein Objekt in Bewegung bleibt. Wenn die Kraft aufhört, hört auch die Bewegung auf. Nicht so, aber viele denken es auch heute noch.

Galileo Galilei, ein brillanter italienischer Astronom und Physiker, der zwischen 1564 und 1642 lebte, experimentierte und analysierte die Bewegung von Körpern.

Eine von Galileos Beobachtungen war, dass ein Körper, der mit einem bestimmten Anfangsimpuls auf einer glatten und polierten Oberfläche gleitet, länger zum Anhalten braucht und mehr Bewegung in einer geraden Linie hat, da die Reibung zwischen Körper und Oberfläche geringer ist.

Es ist offensichtlich, dass Galileo mit der Idee der Trägheit umging, aber er kam nicht dazu, eine so präzise Aussage wie Newton zu formulieren.

Im Folgenden schlagen wir einige einfache Experimente vor, die der Leser durchführen und die Ergebnisse bestätigen kann. Beobachtungen werden auch nach der aristotelischen Sicht der Bewegung und der Newtonschen Sicht analysiert.

Trägheitsexperimente

Versuch 1

Eine Kiste wird auf den Boden geschleudert und dann wird die treibende Kraft aufgehängt. Wir beobachten, dass die Box einen kurzen Weg zurücklegt, bis sie anhält.

Lassen Sie uns das vorherige Experiment und sein Ergebnis im Rahmen der Theorien vor Newton und dann nach dem ersten Gesetz interpretieren.

In der aristotelischen Vision war die Erklärung sehr klar: Die Kiste blieb stehen, weil die Kraft, die sie bewegte, aufgehängt war.

In der Newtonschen Ansicht kann sich die Box auf dem Boden / Boden nicht mit der Geschwindigkeit weiterbewegen, die sie zum Zeitpunkt der Kraftaufhängung hatte, da zwischen dem Boden und der Box eine unausgeglichene Kraft vorhanden ist, die bewirkt, dass die Geschwindigkeit bis zum abnimmt Box stoppt. Es ist die Reibungskraft.

In diesem Experiment werden die Prämissen von Newtons erstem Gesetz nicht erfüllt, daher blieb die Box stehen.

Experiment 2

Wieder ist es die Box auf dem Boden. Bei dieser Gelegenheit wird die Kraft auf die Box so aufrechterhalten, dass sie die Reibungskraft ausgleicht oder ausgleicht. Dies geschieht, wenn die Box mit konstanter Geschwindigkeit und in gerader Richtung folgt.

Dieses Experiment widerspricht nicht der aristotelischen Sicht der Bewegung: Die Box bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit, weil eine Kraft auf sie ausgeübt wird.

Es widerspricht auch nicht Newtons Ansatz, da alle auf die Box einwirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Mal schauen:

• In horizontaler Richtung ist die auf die Box ausgeübte Kraft gleich und entgegengesetzt zur Reibungskraft zwischen Box und Boden.
• Die Nettokraft in horizontaler Richtung ist also Null, deshalb behält die Box ihre Geschwindigkeit und Richtung bei.

Auch in vertikaler Richtung werden die Kräfte ausgeglichen, da das Gewicht der Box, bei dem es sich um eine Kraft handelt, die vertikal nach unten zeigt, genau durch die Kontaktkraft (oder Normalkraft) kompensiert wird, die der Boden vertikal nach oben auf die Box ausübt.

Das Gewicht der Box ist übrigens auf die Anziehungskraft der Erde zurückzuführen.

Experiment 3

Wir fahren mit der Kiste fort, die auf dem Boden ruht. In vertikaler Richtung sind die Kräfte ausgeglichen, dh die vertikale Nettokraft ist Null. Es wäre sicherlich sehr überraschend, wenn sich die Box nach oben bewegen würde. In horizontaler Richtung gibt es jedoch Reibungskraft.

Damit die Voraussetzung von Newtons erstem Gesetz erfüllt ist, müssen wir die Reibung auf ein Minimum reduzieren. Dies kann ziemlich grob erreicht werden, wenn wir nach einer sehr glatten Oberfläche suchen, auf die wir Silikonöl sprühen.

Da Silikonöl die Reibung auf nahezu Null reduziert, behält diese Box beim horizontalen Werfen ihre Geschwindigkeit und Richtung für lange Zeit bei.

Es ist das gleiche Phänomen, das bei einem Skater auf einer Eisbahn oder beim Eishockey-Puck auftritt, wenn er selbst angetrieben und losgelassen wird.

In den beschriebenen Situationen, in denen die Reibung nahezu auf Null reduziert wird, ist die resultierende Kraft praktisch Null und das Objekt behält seine Geschwindigkeit gemäß dem ersten Newtonschen Gesetz bei.

Nach aristotelischer Auffassung konnte dies nicht geschehen, da nach dieser naiven Theorie Bewegung nur dann auftritt, wenn eine Nettokraft auf das sich bewegende Objekt ausgeübt wird.

Die gefrorene Oberfläche kann als sehr reibungsarm angesehen werden. Quelle: Pixabay.

Newtons erste Gesetzeserklärung

Trägheit und Masse

Masse ist eine physikalische Größe, die die Menge an Materie angibt, die ein Körper oder Objekt enthält.

Masse ist dann eine intrinsische Eigenschaft der Materie. Aber Materie besteht aus Atomen, die Masse haben. Die Masse des Atoms ist im Kern konzentriert. Es sind die Protonen und Neutronen im Kern, die praktisch die Masse des Atoms und der Materie definieren.

Die Masse wird in der Regel in Kilogramm (kg) gemessen und ist die Grundeinheit des Internationalen Einheitensystems (SI).

Der Prototyp oder die Referenz von kg ist ein Platin- und Iridiumzylinder, der im Internationalen Büro für Gewichte und Maße in Sèvres in Frankreich aufbewahrt wird, obwohl er 2018 mit der Planck-Konstante verknüpft war und die neue Definition ab sofort in Kraft tritt 20. Mai 2019.

Nun, es kommt vor, dass Trägheit und Masse zusammenhängen. Je größer die Masse ist, desto größer ist die Trägheit eines Objekts. In Bezug auf die Energie ist es viel schwieriger oder kostspieliger, den Bewegungszustand eines massereicheren Objekts zu ändern als eines weniger massiven.

Beispiel

Zum Beispiel erfordert es viel mehr Kraft und Arbeit, um eine 1000-kg-Kiste aus der Ruhe zu heben, als eine 1-kg-Kiste. Deshalb wird oft gesagt, dass der erste mehr Trägheit hat als der zweite.

Aufgrund der Beziehung zwischen Trägheit und Masse erkannte Newton, dass Geschwindigkeit allein nicht repräsentativ für den Bewegungszustand ist. Deshalb definierte er eine Größe, die als Impuls oder Impuls bekannt ist und mit dem Buchstaben p bezeichnet wird und das Produkt der Masse m und der Geschwindigkeit v ist :

p = m v

Die Fettdrucke in p und v zeigen an, dass es sich um vektorphysikalische Größen handelt, dh um Größen mit Größe, Richtung und Sinn.

Andererseits ist die Masse m eine skalare Größe, der eine Zahl zugeordnet ist, die größer oder gleich Null sein kann, aber niemals negativ. Bisher wurde im bekannten Universum kein Objekt negativer Masse gefunden.

Newton brachte seine Vorstellungskraft und Abstraktion auf das Äußerste und definierte das sogenannte freie Teilchen. Ein Teilchen ist ein materieller Punkt. Das heißt, es ist wie ein mathematischer Punkt, aber mit Masse:

Ein freies Teilchen ist das Teilchen, das so isoliert ist, so weit von einem anderen Objekt im Universum entfernt, dass nichts eine Wechselwirkung oder Kraft auf es ausüben kann.

Später definierte Newton die Trägheitsreferenzsysteme, in denen seine drei Bewegungsgesetze gelten. Hier sind die Definitionen nach diesen Konzepten:

Trägheitsreferenzsystem

Jedes Koordinatensystem, das an ein freies Teilchen gebunden ist oder sich mit konstanter Geschwindigkeit in Bezug auf das freie Teilchen bewegt, ist ein Trägheitsreferenzsystem.

Newtons erstes Gesetz (Trägheitsgesetz)

Wenn ein Teilchen frei ist, hat es einen konstanten Impuls in Bezug auf einen Trägheitsreferenzrahmen.

Newtons erstes Gesetz und Impuls. Quelle: selbst gemacht.

Gelöste Übungen

Übung 1

Ein 160-Gramm-Hockey-Puck fährt mit 3 km / h auf die Eisbahn. Finden Sie seinen Schwung.

Lösung

Die Masse der Scheibe in Kilogramm beträgt: m = 0,160 kg.

Geschwindigkeit in Metern über Sekunde: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Das Ausmaß der Bewegung oder des Impulses p wird wie folgt berechnet: p = m · v = 0,1333 kg · m / s,

Übung 2

Die Reibung in der vorderen Bandscheibe wird als Null betrachtet, so dass der Impuls erhalten bleibt, solange nichts den geraden Verlauf der Bandscheibe verändert. Es ist jedoch bekannt, dass zwei Kräfte auf die Scheibe wirken: das Gewicht der Scheibe und der Kontakt oder die Normalkraft, die der Boden auf sie ausübt.

Berechnen Sie den Wert der Normalkraft in Newton und ihre Richtung.

Lösung

Da der Impuls erhalten bleibt, muss die resultierende Kraft auf den Hockey-Puck Null sein. Das Gewicht zeigt senkrecht nach unten und ist gültig: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Die Normalkraft muss notwendigerweise dem Gewicht entgegenwirken, daher muss sie vertikal nach oben zeigen und ihre Größe beträgt 1,57 N.

Artikel von Interesse

Beispiele für das Newtonsche Gesetz im wirklichen Leben.

Verweise

1. Alonso M., Finn E. Physik Band I: Mechanik. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konzeptionelle Physik. Fünfte Ausgabe. Pearson. 67-74.
3. Jung, Hugh. Universitätsphysik mit moderner Physik. 14. Aufl. Pearson. 105-107.