Inertia & Newtons erstes Bewegungsgesetz

Isaac Newtons erstes Bewegungsgesetz beschreibt das Verhalten eines massiven Körpers in Ruhe oder in gleichförmiger linearer Bewegung, d. H. Nicht beschleunigt oder rotiert. Das erste Gesetz besagt: "Ein ruhender Körper wird in Ruhe bleiben, und ein Körper in Bewegung wird in Bewegung bleiben, wenn nicht eine äußere Kraft darauf wirkt."

Das bedeutet einfach, dass die Dinge nicht von alleine beginnen, stoppen oder die Richtung ändern können. Es erfordert etwas Kraft, die von außen auf sie wirkt, um eine solche Veränderung zu bewirken. Während dieses Konzept für uns heute einfach und offensichtlich erscheint, war es in Newtons Zeit wirklich revolutionär.

Newton veröffentlichte seine Bewegungsgesetze 1687 in seinem bahnbrechenden Werk "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie), in dem er die Beschreibung, wie sich massive Körper unter dem Einfluss äußerer Kräfte bewegen, formalisierte.

Newton griff auf die frühere Arbeit von Galileo Galilei zurück, der laut Greg Bothun, einem Physikprofessor an der Universität von Oregon, die ersten präzisen Bewegungsgesetze für Massen entwickelte. Galileis Experimente zeigten, dass alle Körper unabhängig von Größe oder Masse mit derselben Geschwindigkeit beschleunigen. Newton kritisierte und erweiterte auch die Arbeit von Rene Descartes, der 1644, zwei Jahre nach Newtons Geburt, eine Reihe von Naturgesetzen veröffentlichte. Die Gesetze von Descartes sind Newtons erstem Bewegungsgesetz sehr ähnlich.

Damals glaubten die meisten Menschen, der natürliche Zustand eines Körpers sei in Ruhe. Es war offensichtlich, dass die Übertragung einer Bewegung auf einen ruhenden Körper die Anwendung einer äußeren Kraft erforderte. Es wurde jedoch auch angenommen, dass es eine kontinuierliche äußere Kraft erforderte, um einen Körper in Bewegung zu halten. Aufgrund ihrer Erfahrung mit Alltagsgegenständen war dies keine völlig unvernünftige Schlussfolgerung. Wenn dein Pferd aufgehört hat zu ziehen, würde dein Wagen aufhören zu rollen, und wenn der Wind aufhört zu wehen, würde dein Boot aufhören, sich zu bewegen. Die Menschen nahmen daher an, dass diese Objekte einfach in ihren natürlichen Ruhezustand zurückkehren. Es brauchte einen bemerkenswerten Sprung der Intuition, um zu erkennen, dass es eine äußere Kraft geben musste, die handelte, um die Bewegungen dieser Objekte zu stoppen.

Nehmen wir den Fall eines flachen Steines, der auf der glatten Oberfläche eines gefrorenen Sees gleitet. Wenn dieser Stein ein Stück polierten Marmors wäre, würde er beträchtlich weiter gleiten als ein grober Pflasterstein. Es ist offensichtlich, dass die Reibungskraft auf dem groben Pflasterstein größer ist als auf dem polierten Marmor. Während jedoch die Reibungskraft zwischen dem Marmor und dem Eis geringer ist als zwischen dem Rohstein und dem Eis, ist es immer noch nicht Null.

Was würde dann passieren, wenn die Reibungskraft auf Null gehen würde? Newtons Geniestreich war in diesem Fall, zu erkennen, dass es ohne die Anwesenheit einer äußeren Kraft wie der Reibung, die auf einen sich bewegenden Körper einwirkte, keinen Grund gab, damit aufzuhören.

Inertiale Referenzrahmen

Diese Eigenschaft von massiven Körpern, Veränderungen ihres Bewegungszustandes zu widerstehen, nennt man Trägheit, und dies führt zum Konzept von Trägheitsreferenzrahmen. Ein Trägheitsreferenzrahmen kann als ein dreidimensionales Koordinatensystem beschrieben werden, das weder beschleunigt noch rotiert; es kann jedoch eine gleichförmige lineare Bewegung in Bezug auf einen anderen Trägheitsreferenzrahmen sein. Newton hat niemals Trägheitsreferenzrahmen explizit beschrieben, aber sie sind eine natürliche Folge seines ersten Bewegungsgesetzes.

Wenn wir sagen, dass ein Körper in Bewegung ist, könnte man fragen, in Bewegung im Vergleich zu was? Könnten Sie einen Baseball mit einer Geschwindigkeit von 100 km / h in Ihrer bloßen Hand fangen? Sie könnten, wenn Sie in einem Zug mit 100 Meilen pro Stunde fahren würden, und jemand in diesem Zug warf Sie sanft den Ball. Der Zug und die Spur existieren beide in ihren eigenen Trägheitsreferenzrahmen, und die Geschwindigkeit des Balls hängt von dem Trägheitsreferenzrahmen ab, von dem aus er betrachtet wird. Wenn du auf der Plattform stehst und ein Passagier in diesem Zug den Ball aus dem Fenster zu dir wirft, wäre es nicht ratsam, ihn mit deiner bloßen Hand zu fangen.

Newtons erstes Gesetz in Aktion

Raketen, die durch den Weltraum reisen, umfassen alle drei Newtonschen Bewegungsgesetze.

Bevor eine Rakete gestartet wird, ruht sie auf der Erdoberfläche. Es würde auf unbestimmte Zeit in Ruhe bleiben, ohne dass irgendeine äußere Kraft darauf einwirkte. Newtons erstes Gesetz gilt auch dann, wenn die Rakete ohne äußere Kräfte durch den Weltraum gleitet und sich für immer auf einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Jetzt, wo wir wissen, wie sich ein Objekt verhält, wenn keine äußere Kraft darauf wirkt, was passiert, wenn es eine äußere Kraft gibt, wie die Motoren, die feuern, um die Rakete ins All zu schießen? Diese Situation wird durch Newtons zweites Bewegungsgesetz beschrieben.

Siehe auch:

  • Newtons Bewegungsgesetze
  • Gleiche und entgegengesetzte Reaktionen: Newtons drittes Bewegungsgesetz

Zusätzliche Ressourcen

Schau das Video: Physics - Inertia and Mass

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