Kraft und die Newtonschen Gesetze
Warum rollt ein Ball weiter, wenn man ihn anstößt? Warum ist es schwerer, einen vollen Einkaufswagen anzuschieben als einen leeren? Isaac Newton hat 1687 drei Gesetze formuliert, die alle diese Fragen beantworten – sie sind bis heute die Grundlage der Mechanik.
Was ist eine Kraft?
Kräfte kann man nicht sehen, nur ihre Wirkungen: Eine Kraft kann einen Körper verformen (Feder dehnen, Knetkugel platt drücken) oder seinen Bewegungszustand ändern (anschieben, abbremsen, umlenken). Kräfte werden in Newton (N) gemessen, zum Beispiel mit einem Federkraftmesser.
Eine Kraft ist durch drei Dinge festgelegt: Betrag (wie stark), Richtung und Angriffspunkt. Deshalb zeichnet man Kräfte als Pfeile: Die Länge steht für den Betrag, die Pfeilspitze für die Richtung.
1. Newtonsches Gesetz: Trägheitsprinzip
Trägheitsprinzip
Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich gleichförmig geradlinig weiter, solange keine Kraft auf ihn wirkt (bzw. sich alle Kräfte aufheben).
Jeder Körper ist träge: Er „will“ seinen Bewegungszustand beibehalten. Bremst ein Bus scharf, fallen die Fahrgäste nach vorn – nicht, weil sie jemand schubst, sondern weil sie sich weiterbewegen wollen. Der Sicherheitsgurt bringt die nötige Kraft auf, um Dich mit dem Auto abzubremsen.
2. Newtonsches Gesetz: Grundgleichung der Mechanik
F = m · a Kraft = Masse mal Beschleunigung
Je größer die Kraft, desto stärker die Beschleunigung. Und je größer die Masse, desto mehr Kraft braucht man für dieselbe Beschleunigung. Daraus ergibt sich auch die Einheit: 1 N = 1 kg · m/s². Ein Newton beschleunigt einen Körper von 1 kg in jeder Sekunde um 1 m/s.
Beispiel: Fahrrad anfahren
Radfahrerin und Rad haben zusammen 80 kg und sollen mit 1,5 m/s² anfahren.
F = 80 kg · 1,5 m/s² = 120 N (ohne Reibung).
3. Newtonsches Gesetz: Wechselwirkungsprinzip
actio = reactio
Übt ein Körper A eine Kraft auf einen Körper B aus, so übt B eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf A aus.
Kräfte treten immer paarweise auf. Beim Abstoßen vom Beckenrand drückst Du gegen die Wand – und die Wand drückt Dich ins Wasser. Eine Rakete stößt Gase nach hinten aus, die Gase drücken die Rakete nach vorne. Wichtig: Die beiden Kräfte wirken auf verschiedene Körper, deshalb heben sie sich nicht auf.
Mehrere Kräfte zusammensetzen
Wirken mehrere Kräfte auf einen Körper, zählt nur ihre Summe, die resultierende Kraft Fres:
- Gleiche Richtung: Beträge addieren (zwei Kinder ziehen mit 100 N und 150 N am selben Seil in dieselbe Richtung: 250 N).
- Entgegengesetzt: Beträge subtrahieren, die größere gewinnt (Tauziehen 300 N gegen 280 N: 20 N zur stärkeren Seite).
- Schräg zueinander: Kräfteparallelogramm zeichnen – die Diagonale ist die Resultierende.
Heben sich alle Kräfte auf (Fres = 0), herrscht Kräftegleichgewicht: Der Körper ruht oder bewegt sich gleichförmig. Ein Auto, das mit konstanten 100 km/h fährt, braucht trotzdem Motorkraft – sie gleicht genau Reibung und Luftwiderstand aus.
Typischer Fehler
„Für eine Bewegung braucht man eine Kraft.“ Falsch: Für eine Änderung der Bewegung braucht man eine Kraft. Eine Raumsonde fliegt ohne Antrieb jahrelang mit gleicher Geschwindigkeit weiter, weil im All keine Reibung bremst.
Teste Dich selbst
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