Newton III - Das Wechselwirkungsprinzip
D. Supper 19.12.2015
Newton fand heraus, dass wenn ein Körper auf einen anderen eine Kraft ausübt, der andere auf den einen ebenso eine gleich große Kraft ausübt. Man könnte es auch andersrum formulieren: Ein Körper alleine kann gar keine Kraft ausüben, es braucht immer eine zweiten Körper.
Aber aus welchen Beobachtung schloss Newton diesen Zusammenhang?
Der Stoß zweier Kugeln
Wenn zwei Kugeln aneinander stoßen, erhalten beide eine Zusatzgeschwindigkeit und ändern somit ihre Geschwindigkeit. Man denke daran, dass die Geschwindigkeit einen Betrag und Richtung hat.
Also muss auf beide Kugeln eine Kraft wirken und Newton vermutete, dass diese Kraft gleich groß aber genau entgegengesetzt gerichtet ist.
Longboard | Das Experiment
Zwei Personen sitzen sich auf jeweils einem Wagen gegenüber und halten beide ein gemeinsames Seil in der Hand. Einer zieht. Wo treffen Sie sich?
Aber langsam, vielleicht hängt dass ja davon ab, wer von den beiden zieht oder ob beide gleichzeitig ziehen. Vielleicht spielt es auch eine Rolle wie schnell man zieht oder vom Gewicht der Personen? Das musst du unbedingt selber ausprobieren.
Wenn Newtons Vermutung stimmt, dann müsste gelten:
$$F_1=-F_2$$
$$m_1 \cdot a_1 = m_2 \cdot (-a_2)$$
Wenn also Person 1 doppelt so schwer ist, müsste als Ausgleich Person 2 die doppelte
Beschleunigung erfahren.
Und tatsächlich, wenn wir einen Stoß mit einer schweren Kugel durchführen, erhält diese eine viel geringere Zusatzgeschwindigkeit. Wenn nun aber die Masse 1000000mal größer ist, wird die Zusatzgeschwindigkeit des schweren Körpers minimal, so dass wir sie nicht mehr wahrnehmen.
Wir merken also: Kräfte treten nur paarweise auf, unabhängig davon ob wir es wahrnehmen.
Dies sind nur zwei von vielen weiteren Beobachtungen die wir in der Natur machen können.
Newton III : Das Wechselwirkungsprinzip - einfach erklärt
Zwei Kugeln stoßen aneinander. Der Billardspieler weiß, wie sie sich weiter bewegen. Sie folgen einem physikalischen Gesetz.
Schon Newton fand dies heraus und konnte es sogar mathematisch beschreiben. Aber wie?
Wenn zwei Kugeln aneinander stoßen, erhalten beide eine Zusatzgeschwindigkeit und ändern somit ihre Geschwindigkeit. Man denke daran, dass die Geschwindigkeit einen Betrag und Richtung hat.
Also muss auf beide Kugeln eine Kraft wirken und Newton vermutete, dass diese Kraft gleich groß aber genau entgegengesetzt gerichtet ist.
Zwei Personen sitzen sich auf jeweils einem Longboard gegenüber und halten beide ein gemeinsames Seil in der Hand. Einer zieht. Wo treffen Sie sich?
Aber langsam, vielleicht hängt dass ja davon ab, wer von den beiden zieht oder ob beide gleichzeitig ziehen. Vielleicht spielt es auch eine Rolle wie schnell man zieht oder vom Gewicht der Personen? Das musst du unbedingt selber ausprobieren.
Wenn Newtons Vermutung stimmt, dann müsste gelten:
$$F_1=-F_2$$
$$m_1 \cdot a_1 = m_2 \cdot (-a_2)$$
Wenn also Person 1 doppelt so schwer ist, müsste als Ausgleich Person 2 die doppelte Beschleunigung erfahren.
Und tatsächlich, wenn wir einen Stoß mit einer schweren Kugel durchführen, wissen wir, dass diese eine viel geringere Zusatzgeschwindigkeit erhält.
Aber auch die schwere Kugel erhält eine Zusatzgeschwindigkeit. Wenn nun aber die Masse 1000000mal größer ist, wird die Zusatzgeschwindigkeit des schweren Körpers minimal, so dass wir sie nicht mehr wahrnehmen können.
Wir merken also: Kräfte treten nur paarweise auf, unabhängig davon ob wir es wahrnehmen.
Die pflügenden Ochsen üben eine Kraft auf den Erdboden aus. Gleichzeitig wirkt in umgekehrte Richtung eine Kraft auf die Ochsen. Je härter der Boden, desto größer ist diese.
Kräfte können nur von Körpern ausgehen und wirken auf diese.
Und jetzt seid ihr dran. Wieso hebt der Hubschrauber ab und wieso kann er maximal auf eine Höhe von 5000 m steigen?
Wieso hebt eine Rakete vom Boden ab, obwohl sie so gut wie keine Luft beschleunigt?
Wieso hebt diese Rakete vom Boden ab?
Wieso kann man mit einem Ruderboot sich auf einem See bewegen?
Beim Tiefschneefahren komprimiert der Skifahrer mit seinem Gewicht den Schnee. Welche Kraft aber übt der Schnee auf den Skifahrer aus?
Die Erde übt eine Kraft auf einen am Baum hängenden Apfel aus. Die Kraft des Apfels auf die Erde ist aber identisch, nur in umgekehrte Richtung. Wieso fällt dann der Apfel auf die Erde und nicht die Erde auf den Apfel?
Ideen von
C. Waltner, V. Tobias, M. Hopf, T. Wilhelm, H. Wiesner - LMU München
M. KramerUnterricht als Abenteuer unterricht-als-abenteuer.de