Die Newtonschen Gesetze

Der Schulstoff

1687 hat Issac Newton drei Regeln für Bewegungen formuliert, die man auch die Newtonschen Axiome nennt.

Die erste und die dritte Regel werden schon in der Mittelstufe behandelt:



Erstes Gesetz (Trägheitsgesetz)

Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich gradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn auf ihn keine Kräfte wirken.






Drittes Gesetz (actio = reactio, Wechselwirkungsgesetz)

Kräfte treten immer paarweise auf: Zu jeder Kraft gibt es eine gleich große entgegengesetzt wirkende Gegenkraft. Wenn die Kraft von A auf B wirkt, wirkt die Gegenkraft von B auf A.


In der Oberstufe kommt dann das fehlende Gesetz dazu:

Zweites Gesetz (Kraftdefinition):

Die Änderung einer Bewegung ist proportional zur einwirkenden Kraft: F = m*a

Ganz oft wird dann an einer Luftkissenfahrbahn dieser Zusammenhang experimentell bestätigt.


Kritische Überlegung:

Zeitlich Jahre auseinander gezogen lernen Schüler/innen drei Regeln, die selten mit Alltagserfahrungen verbunden werden.

So beantwortet das erste Gesetz die Frage: "Gibt es Bewegungen ohne Kräfte?"

Das dritte Gesetz ist die Grundlage für alle Antriebsformen, selbst für das einfache Gehen. Mit der Kraft, die mein Fuß auf den Boden nach hinten ausübt, übt der Boden eine gleichgroße nach vorne wirkende Kraft aus.

Ganz oft wird das Wechselwirkungsgesetz mit einem Kräftegleichgewicht verwechselt. Nur schwer prägt sich ein, dass Kraft und Gegenkraft an verschiedenen Körpern angreifen, sich also nicht aufheben können.

Und wer erinnert sich nicht an die künstliche Laborsituation einer Luftkissenfahrbahn? Die Beschleunigung wird durch einen fallenden Körper erzeugt. Da der aber mit beschleunigt wird, muss er von der Masse des Wagens weggenommen werden, will man die beschleunigende Kraft verändern. Und eigentlich setzt die Umrechnung aus beschleunigender Masse zur Kraft schon F = m*g voraus...


Oft wählen Jugendliche am Ende der E-Phase, wenn die Mechanik behandelt wurde, Physik ab. Für mich verständlich. Was hat das alles mit erlebter Natur zu tun?


Das Extrafutter

Schon Newton selbst hat die Kraft mit der zeitlichen Ableitung des Impulses p identifiziert:

F = dp/dt.

Wir lassen jetzt mal außen vor, dass damit auch der Fall beschrieben wird, dass eine Kraft durch Massenänderung entsteht... (F = v*dm/dt + m*dv/dt, nach der Produktregel).

Was liegt also näher, als den Impuls p als Grundgröße einzuführen und dann die Kraft als abgeleitete Größe?

Dabei hilft oft auch die sprachliche Verwendung des Wortes Schwung für Impuls.

Ich habe das ausführlich in meinem Unterrichtsblog: "Von Newton zu Einstein" in den Kapiteln 10 - 17 vorgeführt (ab Post 55).


https://newtonzueinstein.blogspot.com/


Dieser Mechanikkurs wird sicher noch 2022 zusätzlich auf der Lernplattform von FutureSpace gGmbH überarbeitet und stärker interaktiv erscheinen.


Etwas provozierend einfach möchte ich jetzt die drei Gesetze von Newton formulieren:


Erstes Gesetz (Trägheitsgesetz):

Ein Körper, der weder neuen Schwung bekommt noch welchen verliert, bewegt sich so weiter wie bisher.


Zweites Gesetz:

Wenn man einem Körper Schwung zuführt oder wegnimmt, wird er schneller oder langsamer oder ändert seine Bewegungsrichtung.


Drittes Gesetz (Wechselwirkungsgesetz):

Bekommt ein Körper Schwung, so ist dieser genau so groß wie der Schwung den der einwirkende Körper abgibt.


Diese drei Gesetze lassen sich nun ganz einfach durch den Impulserhaltungssatz zusammenfassen, der auch eher stiefmütterlich im Unterricht behandelt wird:


Impulserhaltung

Der Impuls eines Körpers bleibt konstant, wenn man den Körper so isoliert, dass er weder Impuls bekommen noch verlieren kann.


Aus drei Regeln wird eine, die letztlich so trivial ist wie:

Wenn aus einer Badewanne kein Wasser abfließt und auch keins hineinfließt, bleibt der Wasserstand erhalten.


Trotz allem muss man bei diesem Weg auch die Kraft definieren, denn sie spielt ja in der Physik als Begriff eine (nicht ganz so berechtigte) große Rolle.

Das geschieht über die Impulsänderung pro Zeit, so wie es selbst Newton letztlich gemacht hat. Wer will, mag das als Impulsstromstärke bezeichnen. Es ist aber eine reine Definition, die mit dem Erfahrungssatz der Impulserhaltung verknüpft ist und keinerlei umständliche Nachmessungen mit Luftkissenfahrbahnen erfordert.


Die sollten dahin verbannt werden, wo sie hingehören: In eine Kleinanzeige auf Ebay oder in das Museum für pädagogischen Unsinn....


Wie man einen Weg vom Impuls zur Kraft im Unterricht gehen kann, führe ich in dem Mechanik - Blog vor.


Übrigens:

Die Post ist da weiter als manche Physikbücher....