Newtons erstes Gesetz: Erklärung und Formeln, Experimente und Übungen

Newtons erstes Gesetz, auch als Trägheitsgesetz bekannt, wurde zuerst von Isaac Newton, Physiker, Mathematiker, Philosoph, Theologe, Erfinder und englischer Alchemist vorgeschlagen. Das Gesetz besagt Folgendes: " Wenn ein Gegenstand keiner Kraft ausgesetzt ist oder wenn sich die auf ihn einwirkenden Kräfte gegenseitig aufheben, bewegt er sich weiterhin mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden Linie."

In dieser Anweisung wird das Schlüsselwort continue verwendet. Wenn die Voraussetzungen des Gesetzes erfüllt sind, setzt das Objekt seine Bewegung fort, wie es war. Es sei denn, eine unausgeglichene Kraft tritt auf und verändert den Bewegungszustand.

Dies bedeutet, dass das Objekt im Ruhezustand weiter ruht, es sei denn, eine Kraft zieht es aus diesem Zustand heraus. Dies bedeutet auch, dass sich ein Objekt, das sich mit einer festgelegten Geschwindigkeit in einer geraden Richtung bewegt, weiterhin in dieser Richtung 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 Mathematical Principles of Natural Philosophy am 5. Juli 1687 war.

Das Wörterbuch der Spanischen Königlichen Akademie definiert das Wort Trägheit wie folgt:

"Das Eigentum der Körper, ihren Ruhe- oder Bewegungszustand aufrechtzuerhalten, wenn es nicht durch die Einwirkung einer Kraft erfolgt. "

Dieser Begriff wird auch verwendet, um zu behaupten, dass jede Situation unverändert bleibt, da keine Anstrengungen unternommen wurden, um dies zu erreichen. Daher hat das Wort Trägheit manchmal die Bedeutung von Routine oder Faulheit.

Die vor-Newtonsche Vision

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

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

Eine Beobachtung von Galileo war, dass ein Körper, der mit einem gewissen Anfangsimpuls auf einer glatten und polierten Oberfläche gleitet, länger zum Stoppen braucht und mehr geradlinige Bewegung hat, da die Reibung zwischen dem Körper und der Oberfläche geringer ist.

Es ist offensichtlich, dass Galilei mit der Idee der Trägheit umgegangen ist, aber er formulierte keine so präzise Aussage wie Newton.

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

Experimente zur Trägheit

Versuch 1

Eine Kiste wird auf den Boden geschoben und dann die treibende Kraft ausgesetzt. Wir stellen fest, dass die Box eine kurze Strecke zurücklegt, bis sie stoppt.

Interpretieren Sie das vorherige Experiment und dessen Ergebnis im Rahmen der Theorien vor Newton und dann nach dem ersten Gesetz.

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

In der Newtonschen Sicht kann sich die Box auf dem Boden nicht weiter mit der Geschwindigkeit bewegen, die sie zum Zeitpunkt des Aufhängens der Kraft hatte, da zwischen dem Boden und der Box eine unausgeglichene Kraft herrscht, die die Geschwindigkeit verringert, bis die Box stoppt. Es geht um die Reibungskraft.

In diesem Experiment sind die Voraussetzungen von Newtons erstem Gesetz nicht erfüllt, deshalb hat die Box angehalten.

Versuch 2

Wieder geht es um die Kiste auf dem Boden / Boden. Bei dieser Gelegenheit wird die Kraft auf den Kasten so aufrechterhalten, dass die Reibungskraft ausgeglichen oder ausgeglichen wird. Dies geschieht, wenn wir erreichen, dass die Box mit konstanter Geschwindigkeit und in gerader Richtung weiterfährt.

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

Dies steht auch nicht im Widerspruch zu Newtons Ansatz, da alle auf die Box einwirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Mal sehen:

In horizontaler Richtung ist die auf den Kasten ausgeübte Kraft gleich und in entgegengesetzter Richtung zur Reibungskraft zwischen dem Kasten und dem Boden.
Dann ist die Nettokraft in horizontaler Richtung Null, weshalb die Box ihre Geschwindigkeit und Richtung beibehält.

Auch in vertikaler Richtung sind die Kräfte ausgeglichen, da das Gewicht der Box, das eine vertikal nach unten weisende Kraft ist, genau durch die Kontaktkraft (oder Normalkraft) kompensiert wird, die der Boden vertikal nach oben auf die Box ausübt.

Übrigens ist das Gewicht der Kiste auf die Anziehungskraft der Erde zurückzuführen.

Versuch 3

Wir fahren mit der Kiste fort, die auf dem Boden liegt. In vertikaler Richtung sind die Kräfte ausgeglichen, dh die vertikale Nettokraft ist Null. Es wäre sicherlich sehr überraschend, dass die Box nach oben gerückt ist. In horizontaler Richtung gibt es jedoch Reibungskräfte.

Damit die Voraussetzung von Newtons erstem Gesetz erfüllt ist, müssen wir die Reibung auf ein Minimum reduzieren. Wir können dies in ziemlich ungefährer Weise erreichen, wenn wir eine sehr glatte Oberfläche suchen, auf die wir Silikonöl sprühen.

Da das Silikonöl die Reibung auf fast Null reduziert, behält es seine Geschwindigkeit und Richtung für eine lange Strecke bei, wenn diese Box horizontal losgelassen wird.

Es ist dasselbe Phänomen, das bei einem Eisläufer auf einer Eisbahn oder beim Eishockey-Puck auftritt, wenn er gefahren wird und sich von selbst loslässt.

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

Nach aristotelischer Auffassung könnte dies nicht geschehen, da nach dieser naiven Theorie Bewegung nur dann stattfindet, wenn auf das in Bewegung befindliche Objekt eine Nettokraft einwirkt.

Erklärung von Newtons erstem Gesetz

Trägheit und Masse

Die Masse ist eine physikalische Größe, die die Menge an Materie angibt, die einen Körper oder Gegenstand enthält.

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

Die Masse wird üblicherweise in Kilogramm (kg) gemessen und ist die Basiseinheit des internationalen Einheitensystems (SI).

Der Prototyp oder die Referenz von kg ist ein Zylinder aus Platin und Iridium, der im Internationalen Büro für Maße und Gewichte in Sèvres in Frankreich aufbewahrt wird, obwohl er 2018 mit der Planck-Konstante verknüpft wurde und die neue Definition ab 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. Es ist in Bezug auf Energie viel schwieriger oder kostspieliger, den Bewegungszustand eines massereicheren Objekts zu ändern als einen weniger massereicheren.

Beispiel

Zum Beispiel ist viel mehr Kraft und viel mehr Arbeit erforderlich, um eine Schachtel mit einer Tonne (1000 kg) aus der Ruhe zu bringen als ein Kilogramm (1 kg). Deshalb wird oft gesagt, dass die erste mehr Trägheit hat als die zweite.

Aufgrund der Beziehung zwischen Trägheit und Masse erkannte Newton, dass Geschwindigkeit allein nicht für den Bewegungszustand repräsentativ 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 multipliziert mit der Geschwindigkeit v ist :

p = m v

Die fetten Buchstaben in p und v geben an, dass es sich um physikalische Vektorgrößen handelt, dh um Größen mit Größe, Richtung und Sinn.

Stattdessen ist die Masse m eine skalare Größe, der eine Zahl zugeordnet ist, die größer oder gleich Null sein kann, jedoch niemals negativ ist. Bis heute 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 Partikel ist ein materieller Punkt. Das heißt, es ist wie ein mathematischer Punkt, aber mit Masse:

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

Später definierte Newton die trägen Bezugssysteme, auf die seine drei Bewegungsgesetze angewendet werden. Hier sind die Definitionen nach diesen Begriffen:

Referenz-Trägheitssystem

Jedes Koordinatensystem, das mit einem freien Teilchen verbunden ist oder sich mit einer konstanten Geschwindigkeit in Bezug auf das freie Teilchen bewegt, ist ein Trägheitsreferenzsystem.

Newtons erstes Gesetz (Trägheitsgesetz)

Wenn ein Teilchen frei ist, hat es eine konstante Bewegungsgröße in Bezug auf ein Trägheitsreferenzsystem.

Gelöste Übungen

Übung 1

Ein 160 Gramm schwerer Hockey-Puck fährt mit 3 km / h auf der Eisbahn. Finden Sie Ihren Bewegungsumfang.

Lösung

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

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

Der Impuls oder das Moment p wird wie folgt berechnet: p = m · v = 0, 1333 kg · m / s

Übung 2

Die Reibung in der vorderen Bandscheibe wird als null angesehen, daher bleibt der Impuls erhalten, während nichts den geraden Verlauf der Bandscheibe verändert. Es ist jedoch bekannt, dass zwei Kräfte auf die Scheibe wirken: das Gewicht der Scheibe und die Kontaktkraft oder Normalkraft, die der Boden auf sie ausübt.

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

Lösung

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

Die Normalkraft muss dem Gewicht unbedingt entgegenwirken, muss also senkrecht nach oben zeigen und beträgt 1, 57 N.