Eine Größe und ihre Einheit

Newton, Einstein und Äpfel

Schon vor vielen Jahrtausenden machten sich Menschen Gedanken darüber, warum Gegenstände immer nach unten fallen, warum sich die Sterne und Planeten am Himmel bewegen und auf welche Weise sie sich bewegen.

Seit dem Altertum gibt es zahlreiche Theorien dazu. Von antiken griechischen Philosoph*innen über Arbeiten altindischer und mittelalterlicher islamischer Naturwissenschaftler*innen zu den Wissenschaftler*innen und Alchemist*innen der Renaissance spannt sich die Weiterentwicklung dieser Theorien. Sie gipfelt schließlich in der Formulierung der Newtonschen Gesetze der Bewegung im 17. Jhd und der Einsteinschen Relativitätstheorie im 20. Jhd. Für den Alltag sind im Allgemeinen die Newtonschen Gesetze ausreichend. In der Astronomie aber, wo man es mit viel größeren Massen zu tun hat, ist die von Albert Einstein beschriebene Krümmung von Raum und Zeit durch große Massen relevant.

Isaac Newton formulierte drei wesentliche Gesetze zu den Eigenschaften von Bewegungen (und Kräften): Das Trägheitsgesetz, das dynamische Grundgesetz und das Wechselwirkungsgesetz – angeblich angeregt durch die Beobachtung eines fallenden Apfels. Diese Gesetze beschreiben, was passiert, wenn Kräfte wirken oder nicht wirken.

Das passiert, wenn keine Kraft wirkt:

Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für einen fast kräftefreien Körper. Die Raumsonde Voyager 1 wurde 1977 von der NASA gestartet und hat mittlerweile unser Sonnensystem verlassen.

Das passiert, wenn Kräfte wirken:

Daraus ergibt sich auch eine allgemeine Formel für die Kraft:

Die Einheit der Kraft wird Newton genannt, und die allgemeine Formel für die Einheit der Kraft lautet:

Wenn du einen mittelgroßen Apfel (ca. 100 g) in der Hand hältst, spürst du die Wirkung einer Kraft (Gravitation) von ungefähr 1 N, mit der sich Erde und Apfel anziehen. Zum Vergleich: Erde und Mond ziehen sich mit einer wesentlich größeren Kraft von ungefähr $$ 2 \cdot 10^{20}\,N$$ an.

Das Wechselwirkungsgesetz beim Raketenantrieb: Die Verbrennungsgase (1. Körper) des Raketenantriebs werden mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. Dadurch wird die Rakete (2. Körper) durch die entgegengesetzte Kraft in Flugrichtung beschleunigt.

Newtons Raumschiff

Das funktioniert nicht nur mit Verbrennungsgasen. Aus diesem Raumschiff wird die Ladung abgeworfen. Beobachte ganz genau, was dabei passiert! Schätze, wie schwer die Ladung ist! Zum Vergleich: das Raumschiff hat ein Gewicht von 100 Tonnen.

Wenn zwei Körper wechselwirken, treten die Kräfte immer paarweise auf. Obwohl diese Kräfte Kraft (Actio) und Gegenkraft (Reactio) genannt werden, ist nicht die eine Kraft die Ursache der anderen Kraft, sondern beide Kräfte sind absolut gleichwertig. Beim Kräftegleichgewicht kommt es dagegen darauf an, dass die verschiedenen Kräfte auf einen einzigen Körper wirken.

Grundkräfte und abgeleitete Kräfte

Physiker*innen versuchen seit langer Zeit, die vielen verschiedenen Kräfte auf möglichst wenige Grundkräfte zurückzuführen. Das Standardmodell der Physik geht heute von 4 Grundkräften aus, aus denen alle anderen Kräfte (abgeleitete Kräfte) zusammengesetzt werden können. Die 4 Grundkräfte sind: Gravitation, elektromagnetische Kraft, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung.

Sie entsprechen vier grundlegend verschiedenen Wegen, auf denen physikalische Objekte einander beeinflussen können:

• Die Gravitation (Schwerkraft) ist die gegenseitige Anziehung von Massen.
• Die elektromagnetische Kraft bezeichnet die Anziehung und Abstoßung von elektrischen Ladungen.
• Die starke Wechselwirkung hält Atomkerne zusammen und die schwache Wechselwirkung ist zum Beispiel für radioaktiven Zerfall von Atomkernen verantwortlich. Diese Kräfte haben eine so geringe Reichweite, dass sie außerhalb des Atomkerns vernachlässigbar sind.