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, würde dort für immer liegen, es sei denn, etwas drückt es. Eine Eisschiebe auf einer reibungslosen Eisbahn würde ewig geradeaus laufen, es sei denn, etwas hält es.

Das war revolutionär. Vor Newton dachten die Leute, dass Objekte von Natur aus langsamer werden. Newton realisierte, dass das Langsamwerden nicht natürlich ist: Es geschieht nur wegen Kräfte wie Reibung und Luftwiderstand.

Trägheit im Alltag

Du erlebst Trägheit jeden Tag

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

Das Tischttrock funktioniert aufgrund von Impuls. Die Teller sind ruhend und widerstehen dem Verschieben. Wenn Sie das Tuch schnell 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 gleich Masse mal Beschleunigung

Newtons zweites Gesetz

Kraft gleich Masse mal Beschleunigung: F = ma

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

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 sich 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, und er rollt leicht. Dann füllen Sie den Wagen mit schweren Einkäufen und schieben mit der gleichen Kraft.

Jeder Action steht ein gleiches entgegengesetztes Reaktionspartner gegenüber

Newtons Drittes Gesetz

Für jede Action gibt es ein gleiches entgegengesetztes Reaktionspartner.

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

Wenn Sie gehen, drückt Ihr Fuß nach hinten auf den Boden und der Boden drückt Sie nach vorn. Das Vorwärtsdrücken bewegt Sie.

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 Newtons Drittem Gesetz drückt die Erde Sie mit einer gleich großen Kraft nach oben: das ist, was Sie in die Luft wirft.

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

Universelle Gravitation

Newtons Gesetz der universellen Gravitation

Newton erkannte, dass die gleiche Kraft, die eine Äpfel von einem Baum fallen lässt, die gleiche Kraft ist, die den Mond um die Erde herum orbitieren lässt.

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

1. Masse: Objekte mit größerer Masse ziehen härter.

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

Gewicht gegen Masse

Masse ist die Menge an Materie, die du besitzt. Sie ändert sich nicht, unabhängig von deiner Position.

Gewicht ist die Gravitationskraft, die auf deine Masse wirkt. Es ändert sich je nach deiner Position.

Auf dem Mond hast du 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 seitwärts, dass er in der Zeit, in der er ein wenig fällt, die Erdoberfläche unter ihm gekrümmt ist. Er fällt ständig und verpasst ständig. Das ist ein Orbit: fallen und die Erde für immer verfehlen.

Gewichtslos, aber nicht gravitationsfrei

Das Raumstation-Rätsel

Astronauten auf der Internationalen Raumstation schweben herum, als wären sie gewichtslos. Du hast wahrscheinlich die Videos gesehen: sie rollen herum, Wasser bildet schwimmende Körper und nichts fällt herunter.

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

Newton's Gesetze in der Realität

Kräfte in der Technik & 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 keine Luft, gegen die sie drücken können. Der Auspuff geht nach unten; die Rakete geht nach oben.

Sportarten sind angewandte Physik. Eine Baseballschlagbaum überträgt Kraft auf einen Ball (Zweites Gesetz). Ein Sprinter drückt sich rückwärts auf die Startblocke & die Blocke drücken sie vorwärts (Drittes Gesetz). Eine Eisschnellläuferin gleitet über Eis mit minimaler Reibung, was das Erste Gesetz demonstriert.

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

Physik in Deinem Lieblingssport

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