Objekte Widerstand

Newtons Erstes Gesetz

Ein Objekt im Ruhezustand bleibt im Ruhezustand, und ein Objekt in Bewegung bleibt in der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung: es sei denn, es wird durch einen ungleichgewichtigen Kraft beeinflusst.

Dieses Eigenschaft wird als Trägheit bezeichnet. Alles im Universum widersteht der Änderung seiner Bewegung.

Ein Buch, das auf einem Tisch liegt, wird dort für immer liegen, es sei denn, etwas drückt es. Eine Eisscheibe im Eishockey, die auf einer reibungsfreien Eisbahn gleitet, würde ewig geradeaus gleiten, es sei denn, etwas hält sie auf.

Das war revolutionär. Vor Newton dachten die Leute, dass Objekte von Natur aus langsamer werden. Newton erkannte, dass das langsamer werden nicht natürlich ist: Es passiert nur, weil Kräfte wie Reibung und Luftwiderstand es verursachen.

Trägheit im Alltag

Du erlebst Trägheit jeden Tag

Gurte existieren aufgrund von Impuls. Wenn ein Auto plötzlich anhielt, hörten Sie nicht auf, mit dem Auto mitzugehen: Ihr Körper bewegt sich weiter vorwärts mit der ursprünglichen Geschwindigkeit des Autos. Die Gurte sind die ungleichgewichtige Kraft, die Sie stoppt.

Der Tischdeckentrick funktioniert aufgrund von Impuls. Die Teller sind ruhend und widerstehen dem Bewegen. Wenn Sie das Tuch schnell genug ziehen, hat die Reibung keine Zeit, die Teller zu beschleunigen, und sie bleiben an Ort und Stelle.

Ein Fußball auf dem Boden bleibt perfekt still, bis jemand ihn trifft. Er hat keine Lust, sich zu bewegen, keine Neigung, sich zu bewegen. Er ist völlig indifferent.

Kraft gleicht Massenmal Beschleunigung

Newtons Zweites Gesetz

Kraft ist gleich Massenmal Beschleunigung: F = ma

Dies ist die nützlichste Gleichung in der gesamten Physik. Sie sagt Ihnen gleichzeitig drei Dinge:

1. Je mehr Kraft Sie auf ein Objekt anwenden, desto mehr beschleunigen Sie es (d.h. es beschleunigt, verlangsamt sich oder ändert seine Richtung).

2. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto weniger beschleunigt es bei der gleichen Kraft.

3. Wenn Sie zwei der drei Werte kennen: Kraft, Masse oder Beschleunigung, können Sie das dritte berechnen.

Masse ist die Menge an Materie, die ein Objekt enthält. Sie wird in Kilogramm gemessen.

Beschleunigung ist die Geschwindigkeit, mit der die Geschwindigkeit ändert. Sie wird in Metern pro Sekunde quadriert (m/s²) gemessen.

Kraft wird in Newton (N) gemessen: ja, der Einheit ist nach ihm benannt.

Anwendung von F = ma

Einkaufswagen schieben

Denken Sie an dieses Szenario: Sie sind in einem Supermarkt. Sie schieben einen leeren Einkaufswagen, der leicht rollt. Dann füllen Sie den Wagen mit schweren Einkäufen und schieben mit der gleichen Kraft.

Jede Aktion hat ein gleiches entgegengesetztes Ersatzmittel

Newtons Drittes Gesetz

Für jede Aktion gibt es ein gleiches entgegengesetztes Reaktionsmittel.

Das bedeutet, dass Kräfte immer in Paaren auftreten. Man kann nicht drücken, ohne zurückgedrückt zu werden.

Wenn Sie gehen, drückt Ihre Ferse den Boden nach hinten, und der Boden drückt Sie nach vorn. Dieser vorwärts Druck ist, der Sie bewegt.

Wenn eine Rakete startet, drückt sie sich nicht gegen den Boden oder die Luft. Sie wirft heiße Gase nach unten mit enormer Geschwindigkeit, und die Gase drücken mit gleicher Kraft auf die Rakete: nach oben.

Wenn Sie schwimmen, drücken Ihre Hände das Wasser nach hinten, und das Wasser drückt Sie nach vorn.

Die Kräfte sind immer gleich groß und entgegengesetzt. Immer.

Springen auf der Erde

Eine verwirrende Frage

Wenn Sie springen, drücken Ihre Beine den Boden nach unten. Nach Newtons Drittem Gesetz drückt die Erde Sie mit einer gleich großen Kraft nach oben: das ist, was Sie in die Luft katapultiert.

Aber hier ist die merkwürdige Sache: wenn Sie den Boden drücken und die Erde Sie nach oben drückt, dann sind die Kräfte gleich groß. Sie fliegen nach oben. Also sollte sich die Erde nach unten bewegen.

Universelle Gravitation

Newtons Gesetz von der universellen Gravitation

Newton erkannte, dass die gleiche Kraft, die eine Äpfel vom Baum fallen lässt, die gleiche Kraft ist, die den Mond um die Erde herum orbitiert.

Jedes Objekt mit Masse zieht jedes andere Objekt mit Masse an. Die Stärke der Anziehung hängt von zwei Dingen ab:

1. Masse: Masse Objekte ziehen härter.

2. Entfernung: Objekte, die weiter entfernt sind, ziehen schwächer. Die Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab: zweimal so weit bedeutet ein Viertel der Anziehung.

Gewicht gegen Masse

Masse ist die Menge an Materie, die in Ihnen ist. Sie ändert sich nicht, unabhängig von Ihrem Standort.

Gewicht ist die Kraft der Gravitation, die auf Ihre Masse wirkt. Es ändert sich je nach Ihrem Standort.

Auf dem Mond haben Sie die gleiche Masse, aber ein Sechstel des Gewichts, weil die Schwerkraft des Mondes schwächer ist.

Warum fällt der Mond nicht herunter?

Er fällt: ständig. Aber er bewegt sich so schnell in der Seitenrichtung, dass er in der Zeit, in der er ein wenig fällt, die Erdoberfläche unter ihm gekrümmt ist. Er fällt fortwährend und verpasst ständig. Das ist, was eine Bahn ist: fallen und die Erde für immer verfehlen.

Gewichtslos, aber nicht gravitationsfrei

Das Raumstation-Rätsel

Astronauten auf der Internationalen Raumstation scheinen schwerelos zu schweben. Sie haben wahrscheinlich die Videos gesehen: sie stolpern, Wasser bildet schwimmende Körper und nichts fällt herunter.

Hier ist die überraschende Tatsache: Die ISS orbitet etwa 400 km über der Erdoberfläche. In dieser Höhe ist die Schwerkraft immer noch etwa 90% so stark wie auf dem Boden.

Newtons Gesetze in der Realität

Kraft in der Ingenieurwesen & Sport

Jede Struktur, Fahrzeug & Sport auf der Erde folgt den Newtonschen Gesetzen.

Brücken müssen alle Kräfte ausgleichen, um stillzustehen (erstes Gesetz). Ingenieure berechnen das Gewicht des Verkehrs (zweites Gesetz) & stellen sicher, dass jede Stütze mit gleicher Kraft zurückdrückt (drittes Gesetz).

Raketen arbeiten rein nach dem dritten Gesetz: Durch Werfen von Masse in eine Richtung beschleunigen sie in die entgegengesetzte. Es gibt in den Raum keine Luft, gegen die sie drücken können. Der Auspuff geht nach unten; die Rakete geht nach oben.

Sportarten sind angewandte Physik. Eine Baseballschläger überträgt Kraft auf einen Ball (zweites Gesetz). Ein Sprinter drückt sich rückwärts auf die Startblocke & die Blocke drücken ihn vorwärts (drittes Gesetz). Ein Eisschiebepuck gleitet über Eis mit minimalem Widerstand, zeigt das erstes Gesetz.

Jede Zeit, wenn ein Ingenieur ein Auto, eine Brücke oder ein Raumfahrzeug entwirft, löst er Newtons Gleichungen.

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