Eine Größe und ihre Einheit

Warum die Einheit der Kraft Newton heißt und wie die Newtonschen Gesetze die Kräfte beschreiben.

Arbeitsmittel

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.

Antikes berühmtestes Buch von Edward Newton über die Grundlagen der Mathematik
Newton hat sein berühmtestes Buch auf Latein geschrieben.
Ein schwarzweiß Foto von Albert und Mileva Einstein
Albert und Mileva Einstein (1912)

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:

Trägheitsgesetz
Ein Körper, auf den keine Kraft wirkt, ruht oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.
v = 10 m/s

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.

Rausmonde Voyager im Weltall
Die Raumsonde Voyager 1 ist fast kräftefrei unterwegs.

Das passiert, wenn Kräfte wirken:

Dynamisches Grundgesetz
Wirken auf einen Körper Kräfte, so wird der Körper in die Richtung der resultierenden Kraft beschleunigt.

Daraus ergibt sich auch eine allgemeine Formel für die Kraft:

Größe: Kraft
$$ F = m \cdot a $$
(Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung)

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

Einheit: Newton
[N]= [$$ kg \cdot \frac{m}{s^2} $$]
(Newton ist gleich Kilogramm mal Meter pro Sekunden zum Quadrat)

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.

Eine Hand hält einen roten Apfel
So spürst du 1 Newton
Wechselwirkungsgesetz
Wenn zwei Körper wechselwirken, treten Kräfte immer paarweise auf. Sie liegen auf derselben Wirklinie, sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
Wichtig: Nicht mit dem Kräftegleichgewicht verwechseln! Beim Kräftegleichgewicht wirken verschiedene Kräfte auf einen Körper.
Apfel und Erde ziehen sich gegenseitig an
Apfel und Erde ziehen sich gegenseitig an.
Magnet und Nagel ziehen sich gegenseitig an
Magnet und Nagel ziehen sich gegenseitig an.
Jugenliche auf Skateboard ziehen an einem Seil
Beide bewegen sich. Dabei macht es keinen Unterschied, wer von ihnen am Seil zieht.
Pirat schmeißt eine Schatzkiste aus einem Boot
Der Rückstoß wirkt gleich stark auf die Kiste und auf das Boot.
Rakete und Treibstoff stoßen sich gegenseitig ab
Der Rückstoß treibt die Rakete vorwärts.

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.

Trotz Wechselwirkungen gilt für die Zwetschke ein Kräftegleichgewicht.

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 schwache und die starke Wechselwirkung sind Kernkräfte und haben eine so geringe Reichweite, dass sie außerhalb des Atomkerns vernachlässigbar sind.
Gravitation wirkt auf weite Entfernungen zwischen Himmelkörpern
Gravitation
Elektromagnetische Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen.
Elektromagnetische Kraft
Die schwache Wechselwirkung ist für radioaktiven Zerfall verantwortlich.
Schwache Wechselwirkung
Die starke Wechselwirkung zwischen Quarks
Starke Wechselwirkung
17. Eine Größe und ihre Einheit
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