Newtonsche Gesetze
Im Jahr 1687 erschien Isaac Newtons Werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (lat.; ‚Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie‘), in dem Newton drei Grundsätze der Bewegungslehre formuliert, die als die Newtonschen Axiome, Grundgesetze der Bewegung, Newtonsche Prinzipien oder auch Newtonsche Gesetze bekannt sind. Sie werden in Newtons Werk mit {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} und {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} (‚Erstes/Zweites/Drittes Gesetz‘) bezeichnet, oder zusammengenommen mit {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} (‚Axiome oder Gesetze der Bewegung‘).
Diese Gesetze bilden das Fundament der Klassischen Mechanik. Obwohl sie im Rahmen moderner physikalischer Theorien wie der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie nicht uneingeschränkt gelten, sind mit ihrer Hilfe innerhalb des weiten Gültigkeitsbereiches der klassischen Mechanik zuverlässige Vorhersagen möglich.
Überblick
Meistens werden die drei Gesetze in vereinfachter Form so wiedergegeben:
- Ein kräftefreier Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit.
- Kraft gleich Masse mal Beschleunigung:
- <math>\vec F = m \cdot \vec a</math>
- Kraft gleich Gegenkraft: Eine Kraft von Körper A auf Körper B geht immer mit einer gleich großen, aber entgegen gerichteten Kraft von Körper B auf Körper A einher:
- <math>\vec {F}_{A \to B} = -\vec {F}_{B \to A}</math>
Zudem ging Newton davon aus, dass zwei Kräfte mit einem Kräfteparallelogramm zu einer resultierenden Kraft zusammengefasst werden können. Das Axiom vom Kräfteparallelogramm wurde auch als viertes Newtonsches Gesetz bezeichnet, während in moderner Literatur meist das allgemeinere Superpositionsprinzip als viertes Newtonsches Gesetz genannt wird.
Erstes Newtonsches Gesetz {{#invoke:Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}
Das erste Newtonsche Gesetz wird auch lex prima, Trägheitsprinzip, Trägheitsgesetz oder Inertialgesetz genannt. Das Trägheitsprinzip macht Aussagen über die Bewegung von physikalischen Körpern in Inertialsystemen:
- „Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung, sofern jener nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird.“
Lateinischer Originaltext:
- Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare.<ref name="NewtonPNPM13" />
Die Geschwindigkeit <math>\vec v</math> ist also in Betrag und Richtung konstant. Eine Änderung des Bewegungszustandes kann nur durch Ausübung einer Kraft von außen erreicht werden, beispielsweise durch die Gravitationskraft oder die Reibungskraft. Man beachte, dass innere Kräfte, also Kräfte zwischen den Teilen eines zusammengesetzten Körpers, seine Bewegung als Ganzes nicht beeinflussen.
Andere Formulierungen lauten:
- Wirkt auf einen Körper keine Kraft, so ist seine Geschwindigkeit zeitlich konstant.<ref>Brandt, Damen: Mechanik – Vom Massenpunkt zum starren Körper. Springer, 2016, S. 12.</ref>
- Wenn auf einen Massenpunkt keine Kraft wirkt, so ist sein Impuls konstant.<ref>Gross et al.: Technische Mechanik – Kinetik. 13. Auflage. Springer, 2015, S. 36.</ref> Dabei ist der Impuls das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit.
Daraus folgt nicht, dass gar keine Kraft wirkt, wenn er sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Dasselbe Ergebnis tritt nämlich auch dann ein, wenn mehrere Kräfte auf ihn wirken, die einander in ihrer Wirkung aufheben. In diesem Fall befindet er sich im Kräftegleichgewicht und es wirkt keine resultierende Kraft.
Die obigen Fassungen gelten nur dann, wenn die Bewegung in einem Inertialsystem beschrieben wird. Das erste Newtonsche Gesetz ist dann lediglich ein Spezialfall des zweiten.<ref>Bartelmann et al. (Hrsg.): Theoretische Physik. Springer, 2015, S. 10.</ref> In den modernen Werken zur theoretischen Mechanik wird meist zunächst das Bezugssystem definiert und das erste Newtonsche Gesetz in der folgenden oder einer ähnlichen Fassung eingeführt.
- Es gibt Koordinatensysteme, in denen sich jeder kräftefreie Massepunkt geradlinig gleichförmig bewegt oder ruht. Diese besonders wichtigen Koordinatensysteme werden Inertialsysteme genannt.<ref>Tobias Henz, Gerald Langhanke: Pfade durch die Theoretische Mechanik 1. Springer, 2016, S. 42.
Beinahe gleichlautend auch bei Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 1 – Klassische Mechanik. Die Newtonsche Mechanik und ihre mathematischen Grundlagen: anschaulich – axiomatisch – abstrakt. 10. Auflage. Springer, 2013, S. 173.</ref>
Das erste Newtonsche Axiom wird somit als Definition für den Begriff des Inertialsystems genutzt.
Zweites Newtonsches Gesetz {{#invoke:Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}}
Das zweite Newtonsche Gesetz wird auch lex secunda, Aktionsprinzip oder (in der Technischen Mechanik) Impulssatz genannt,<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Mathias Fraaß|Mathias Fraaß: }}{{#if:|{{#if:Impulssatz|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Impulssatz}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://labor.beuth-hochschule.de/fileadmin/labor/emr/Datein/Umdrucke_SL/AB_Impulssatz.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Impulssatz}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://labor.beuth-hochschule.de/fileadmin/labor/emr/Datein/Umdrucke_SL/AB_Impulssatz.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Impulssatz}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:beuth-hochschule.de2006{{#if: 2020-09-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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{{#invoke:Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}} Es ist die Grundlage für viele Bewegungsgleichungen der Mechanik:
- „Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.“
Lateinischer Originaltext:
- „Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.“
Formal wird dieser Zusammenhang zwischen Kraft und Bewegungsänderung als <math>\dot{\vec v} \propto \vec F</math> ausgedrückt, beziehungsweise als <math>\dot{\vec p} \propto \vec F</math>. Hierbei sind <math>\dot{\vec v}</math> die Änderungsrate der Geschwindigkeit, also die Beschleunigung, und <math>\dot{\vec p}</math> die Änderungsrate des Impulses. <math>\vec F</math> bezeichnet die resultierende äußere Kraft. Sofern für die Kraft eine kohärente Einheit verwendet wird, wie beispielsweise Newton im internationalen Einheitensystem, so kann die letzte Beziehung auch als Gleichung geschrieben werden:
- <math>\vec F = \dot \vec p</math>
Ersetzt man in dieser Gleichung den Impuls durch <math>m\vec v</math>, so erhält man <math>\vec F = m\dot\vec v</math>, beziehungsweise
- <math>\vec F = m\vec a</math>
mit der Beschleunigung <math>\vec a = \dot\vec v</math>. Vor allem in der letzten Schreibweise wird diese Beziehung häufig als Grundgleichung der Mechanik bezeichnet (siehe Abschnitt weiter unten). Sie wurde in dieser Weise erstmals 1750 von Leonhard Euler formuliert.<ref>L. Euler: Découverte d'un nouveau principe de mécanique. Memoires de l’Academie royal des sciences, Berlin, Band 6, 1752, S. 185 – Euler Opera Omnia, Serie 2, Band 5, 1957.</ref> Für die Bewegung in einer Dimension, d. h. ohne Änderung der Richtung, geht die Formulierung auf Jakob Hermann zurück.
In seinem Originalwerk hat Newton für die einwirkende Kraft <math>\vec F </math> und die resultierende Bewegungsänderung eine Proportionalität postuliert, allerdings nicht in einer der heute üblichen Formen (wie <math>F \propto \dot p,\ F = \mathrm{const} \cdot \dot p, \ F/ \dot p= \mathrm{const} </math>) ausgedrückt und erst recht nicht einander gleichgesetzt (d. h. <math> \mathrm{const} =1 </math>). Er arbeitete, wie in seiner Zeit üblich, vorrangig mit Quotienten zweier gleichartiger Dinge (entsprechend z. B. <math>F_1/F_2 = \dot p_1/\dot p_2</math>), nicht mit Quotienten (oder Produkten) von Dingen verschiedener Art. Die mathematische Gleichsetzung von begrifflich so verschiedenen Dingen wie Kraft und Impulsänderung (genauer: Impulsänderungsrate <math>\dot p</math>) wurde erst später von Leonhard Euler (in der Form <math>\vec F = \dot{\vec p}</math>) und d’Alembert (in der Form <math>\vec F_\mathrm{traeg} = -m\ddot{\vec x}</math> für die Trägheitskraft <math>\vec F_\mathrm{traeg} = -\vec F</math>) formuliert.<ref>H. Schecker: Der Weg zum physikalischen Kraftbegriff von Aristoteles bis Newton. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie. 36, Nr. 34, 1988, (<templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120120130720
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Die Darstellung <math>\vec F = \dot{\vec p}</math> wird auch als Impulssatz bezeichnet, vor allem in Literatur zur Technischen Mechanik und zur Strömungslehre. In Worten ausgedrückt bedeutet sie, dass die zeitliche Änderung des Impulses eines Körpers der resultierenden äußeren Kraft entspricht, die auf diesen Körper wirkt. Diese Darstellung ist allgemeiner als die darunter genannte Form von Euler, da sie auch Bewegungen von Körpern mit veränderlicher Masse (beispielsweise Raketen) beschreibt. Das 2. Newtonsche Gesetz kann auch in integraler Form dargestellt werden:
- <math> \int^{t_1}_{t_0} \vec F(t)\,\mathrm dt = \vec p_1 - \vec p_0 = \Delta \vec p</math>
Das Integral der Kraft über die Zeit oder (im Falle einer konstanten Kraft) das Produkt aus Kraft und Einwirkungsdauer wird auch als Kraftstoß bezeichnet. Die Kraft kann somit als Ursache für die Änderung des Impulses gedeutet werden. Kräfte, die parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung wirken, verändern den Betrag des Impulses; wirken sie rechtwinklig zur Bewegung, so ändern sie dessen Richtung; Kräfte, die schiefwinklig angreifen, beeinflussen beides. Falls die resultierende Kraft null ist, folgt daraus der Impulserhaltungssatz.<ref>Dreyer: Technische Mechanik – Kinetik, Kinematik. 11. Auflage. Springer, S. 123–125.</ref><ref>Holzmann, Meyer, Schumpich: Technische Mechanik – Kinetik und Kinematik. 12. Auflage. Springer, S. 123–125.</ref><ref>Mahnken: Technische Mechanik – Dynamik. 2. Auflage. Springer, S. 329 f.</ref><ref>Henz, Langhake: Pfade durch die Theoretische Mechanik 1. Springer, 2016, S. 140.</ref> (siehe Erstes Newtonsches Gesetz)
Drittes Newtonsches Gesetz
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Das dritte Newtonsche Gesetz, auch lex tertia, Wechselwirkungsprinzip, Gegenwirkungsprinzip, oder Reaktionsprinzip genannt, besagt:
- „Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).“
Lateinischer Originaltext:
- „Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.“
- <math>\vec {F}_{A \to B} = -\vec {F}_{B \to A}</math>
Das Wechselwirkungsprinzip wird auch als Prinzip von actio und reactio bezeichnet.
Im Unterschied zum Kräftegleichgewicht wirken die beiden Kräfte <math>\vec {F}_{A \to B}</math> und <math>\vec {F}_{B \to A}</math> nicht auf denselben, sondern auf verschiedene Körper. Sie heben sich also nicht gegenseitig auf.
Das dritte Newtonsche Gesetz setzt voraus, dass die Wirkung der wechselseitigen Kräfte auf beide Körper unmittelbar, also gleichzeitig erfolgt. Während das bei Körpern, die sich direkt berühren, naheliegend ist, macht es bei weit voneinander entfernten Körpern eine unverzügliche Fernwirkung erforderlich. Dies ist nach heutigem Verständnis der Physik nicht möglich. In der speziellen Relativitätstheorie (und damit der Elektrodynamik) und der allgemeinen Relativitätstheorie zeigt sich, dass das dritte Newtonsche Gesetz nicht immer anwendbar ist – verwendbar ist weiterhin die Impulserhaltung des Gesamtsystems (Teilchen plus Feld).<ref>Skriptum Elektrodynamik und Relativitätstheorie, S. 4 (PDF; 13,4 MB).</ref> Der Unterschied zwischen der von Newton postulierten Fernwirkung und der verzögerten Kraftübertragung durch Felder wirkt sich vor allem auf relativ zueinander bewegte Körper aus, die Verzögerung ist gut durch Beobachtungen bestätigt.
Das Wechselwirkungsprinzip lässt sich auch so formulieren, dass in einem aus mehreren Körpern bestehenden System die Vektorsumme der Kräfte zwischen den Körpern gleich Null ist.
Superpositionsprinzip der Kräfte
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In Newtons Werk wird das Prinzip der ungestörten Überlagerung oder Superpositionsprinzip der Mechanik als Zusatz zu den Bewegungsgesetzen beschrieben.
- „Wirken auf einen Punkt (oder einen starren Körper) mehrere Kräfte <math>\vec F_1,\vec F_2, \dots, \vec F_n</math>, so addieren sich diese vektoriell zu einer resultierenden Kraft <math>\vec F</math> auf.“
- <math>\vec F_\text{res} = \vec F_1 + \vec F_2 + \dots + \vec F_n</math>
Später wurde dieses Superpositionsprinzip auch als {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, als viertes Newtonsches Gesetz bezeichnet.
Grundgleichung der Mechanik
Die Gleichung
- <math>\vec F = m \vec a</math>
ist zentral für das Verständnis von Bewegungsvorgängen. Sie umfasst das 1. und 2. Newtonsche Gesetz und stellt einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Kraft <math>\vec F</math>, die auf einen Körper der Masse <math>m</math> einwirkt, und der Bewegung bzw. Bewegungsänderung des Körpers her. Wirken mehrere Kräfte auf den Körper ein, ist für <math>\vec F</math> die resultierende Kraft zu nehmen, das ist die Vektorsumme aller einwirkenden Kräfte. Für diese Gleichung gibt es hauptsächlich drei Lesarten:
- Kennt man die Masse eines Körpers und die gewünschte Beschleunigung, dann kann man mit der Gleichung <math>\vec F = m\vec a</math> die dafür erforderliche Kraft berechnen. Beispielsweise erfährt man so, welche Schubkraft die Düsen eines Flugzeugs aufbringen müssen, um es beim Start ausreichend zu beschleunigen.
- Kennt man die Kräfte, die auf einen Körper einwirken, und damit die resultierende Kraft <math>\vec F</math>, so kann man mit der Beziehung <math>\vec a = \tfrac{\vec F}{m}</math> die Änderung seiner Bewegung vorhersagen. Im einfachsten Fall ist die Kraft konstant und es ergibt sich daher eine konstante Beschleunigung. Im allgemeinen Fall hängt die Kraft jedoch vom Ort <math>\vec x</math>, von der Geschwindigkeit <math> \vec v</math> und von der Zeit <math>t</math> ab: <math>\vec F=\vec F (t, \vec x, \vec v)</math>. Dann ergibt sich eine Differentialgleichung zweiter Ordnung. Die allgemeine Lösung dieser DGL umfasst alle prinzipiell mögliche Bewegungen des Massenmittelpunkts des Körpers. Die spezielle Lösung der tatsächlichen Bewegung findet man durch die Lösung des Anfangswertproblems. Ein einfaches Beispiel für diese Lesart der Grundgleichung der Mechanik ist der freie Fall. Hier ist wegen der gleichbleibenden Stärke des Gravitationsfeldes die Fallbeschleunigung konstant: <math>\vec a=\tfrac{\vec F_\text{G}}{m}=\vec g</math>. Ein etwas komplizierteres Beispiel findet sich in diesem Artikel weiter unten („Harmonischer Oszillator“).
- Kennt man die (resultierende) Kraft und die Beschleunigung, die durch sie hervorgerufen wird, so kann man mit der Gleichung <math>m = \tfrac{F}{a}</math> die Masse des Körpers bestimmen. Dies nutzt man in den meisten Waagen, die tatsächlich die Gewichtskraft messen, aber eine „Masse“ anzeigen, wobei die Fallbeschleunigung als konstantes Verhältnis zwischen diesen beiden Größen vorausgesetzt wird.
Anwendungsbeispiele
Last an einer festen Rolle
Als einfaches Anwendungsbeispiel soll hier eine Last dienen, die an einem Seil hängt, das über eine feste Rolle läuft (siehe Abbildung).
- Auf die Last wirkt eine Gewichtskraft <math>F = mg</math> von (beispielsweise) 100 N nach unten. Gleichzeitig wirkt durch das gespannte Seil auf die Last eine Kraft von 100 N nach oben. Diese beide Kräfte heben sich auf. Die Last befindet sich also im Kräftegleichgewicht. Nach dem ersten Newtonschen Gesetz befindet sie sich entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit auf oder ab. Entgegen der Intuition ist für das Heben und Senken einer Last die gleiche Kraft erforderlich.
- Wenn man das Seil loslässt, wird die Last immer noch mit einer Kraft von 100 N nach unten gezogen. Es fehlt aber die nach oben gerichtete Kraft. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz beginnt die Last nun beschleunigt nach unten zu fallen. Die Fallbeschleunigung berechnet sich nach der Grundgleichung der Mechanik aus der Kraft und der Masse der Last: <math>a = \frac{F}{m} = g</math>. Offensichtlich hängt diese Beschleunigung nur vom Schwerefeld der Erde, nicht aber von der Masse der Last ab. (Mit anderen Worten: Auf der Erde fallen alle Körper gleich schnell, sofern andere Kräfte als die Gewichtskraft zu vernachlässigen sind).
- Wenn ein Mensch mit der Kraft nach unten zieht, die in der Abbildung durch den roten Pfeil dargestellt wird, so erfährt er selbst nach dem dritten Newtonschen Gesetz eine nach oben wirkende Kraft. Dies wird spätestens dann offensichtlich, wenn er versucht, eine Last anzuheben, die schwerer ist als er selbst.
- Auch die Gewichtskraft, die den frei fallenden Körper nach unten beschleunigt (actio), bewirkt eine entgegengesetzte, also nach oben gerichtete Kraft (reactio). Da die Gewichtskraft von der Gravitation der Erde hervorgerufen wird, muss also diese ebenso große Kraft auf die Erde wirken. Wegen ihrer enormen Masse ist die Beschleunigung der Erde nach oben aber nicht zu bemerken.
- Man könnte den zweiten Punkt auch anders betrachten: Sobald man das Seil loslässt, wirkt keine (offensichtliche) Kraft mehr auf die Last. Betrachtet man den nun eintretenden Zustand als kräftefrei, so folgt nach dem ersten Newtonschen Gesetz, dass das Bezugssystem, in dem die frei fallende Last ruht, ein Inertialsystem ist. Demnach ist die zuvor wirksame Seilkraft nach dem zweiten Newtonschen Gesetz als eine nach oben beschleunigende Kraft zu sehen. Das Gewicht der Last ist dann nichts anderes als die Trägheit, die sich einer Beschleunigung nach oben widersetzt. Die Überlegung, dass diese Betrachtungsweise ebenso korrekt ist wie die weiter oben beschriebene, führt zum Äquivalenzprinzip der allgemeinen Relativitätstheorie.
Horizontales Federpendel (Harmonischer Oszillator)
Eine Masse <math>m</math> kann sich reibungsfrei in horizontaler Richtung bewegen. Sie ist über eine Feder mit der Wand verbunden. Am Ort <math>x=0</math> ist die Feder entspannt. Die Masse erfährt in horizontaler Richtung keine Kraft. Man bezeichnet diese Position auch als „Gleichgewichtslage“, da hier Kräftegleichgewicht herrscht. (In vertikaler Richtung wirkt die Gewichtskraft nach unten und die Stützkraft des Bodens nach oben. Diese beiden Kräfte heben sich gegenseitig auf. Da sich daran während der gesamten Bewegung der Masse nichts ändert, werden diese beiden Kräfte im Weiteren nicht mehr berücksichtigt).
- Um die Feder um die Strecke <math>x</math> zu dehnen, ist nach dem Hookeschen Gesetz eine Kraft <math>F_{\mathrm{Feder}} = Dx</math> erforderlich. Folglich übt die Feder nach dem dritten Newtonschen Gesetz die Gegenkraft <math>F = -Dx</math> auf die Masse aus. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die Kraft entgegen der Auslenkung stets zur Gleichgewichtslage hin wirkt.
- Da nur in der Gleichgewichtslage <math>x=0</math> keine Kraft wirkt, ist es nach dem ersten Newtonschen Gesetz nur dort möglich, dass der Körper in Ruhe verharrt. An jedem anderen Ort wird er mehr oder weniger stark beschleunigt.
- Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz gilt
- <math>F(t)=ma(t)=-Dx(t)</math>
- Die Beschleunigung ist per Definition die zweite zeitliche Ableitung des Orts: <math>a(t) = \ddot x(t)</math>. Es ergibt sich also eine lineare, homogene Differentialgleichung zweiter Ordnung:
- <math>m\ddot x(t) + Dx(t) =0</math>
- Die Lösungen dieser Differentialgleichungen sind zeitlich periodische Funktionen der Gestalt <math>x(t)=\hat x \cdot \sin(\omega t + \varphi_0)</math>. Die Masse kann also Schwingungen um die Gleichgewichtslage ausführen. Die Parameter <math>\hat x</math> und <math>\varphi_0</math> ergeben sich aus den Anfangsbedingungen, die Kreisfrequenz <math>\omega</math> aus der Masse und der Federhärte: <math>\omega = \sqrt{\frac D m}</math>.
Geschichte
Als Erster erkannte Galileo Galilei zu Beginn des 17. Jahrhunderts das Trägheitsprinzip und formulierte auch schon, dass die kräftefreie Bewegung sich beliebig weit geradlinig fortsetze. Er nutzte dies zur ersten korrekten Behandlung der Bewegungen von Körpern auf der Erde im freien Fall, im schiefen Wurf und auf der schiefen Ebene.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref name="Torretti 1999">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Die erste eindeutige Formulierung als allgemeines Prinzip der kräftefreien Bewegungen gab René Descartes 1644. Bereits vor der Newtonschen Formulierung als erstes Axiom (Lex Prima), ab Mitte des 17. Jahrhunderts, war das Trägheitsprinzip der Ausgangspunkt zur Begründung verschiedener mechanischer Gesetzmäßigkeiten, wie vor allem aus der Stoßtheorie und der Theorie starrer Körper. In diesem Sinne ist das Trägheitsprinzip in der zeitlich vorausgehenden Mechanik von Christiaan Huygens fest verankert.<ref>David Speiser, Le ‘Horologium Oscillatorium‘ de Huygens et le ‘Principia‘. In: Revue Philosophique de Louvain, Vol. 86 (4), 1988, S. 485–504.</ref> Newton war dann der Erste, der das Trägheitsprinzip auch zur Begründung von Gesetzen der Himmelsmechanik einbrachte und somit auf die Bewegung der irdischen Körper und der Himmelskörper verallgemeinerte. Darin besteht auch seine besondere Leistung.<ref>Lichtenegger: Schlüsselkonzepte zur Physik – von den Newton-Axiomen bis zur Hawking-Strahlung. Springer, 2015, S. 14.</ref> Die Werke der Antike, die noch bis ins Spätmittelalter als korrekt angesehen wurden, wurden von der aristotelischen Lehrauffassung geprägt, dass die Bewegungen auf der Erde und diejenigen am Himmel verschiedenen Gesetzmäßigkeiten gehorchen.<ref>Siehe etwa R. Dugas, La Méchanique au 17. siècle. (Dunod) Paris 1954. Kap. 1.1 (Antécédents - Physique d'Aristote et Statique d'Archimède), S. 19.</ref> Newton erkannte sie als zwei Spezialfälle eines allgemeinen Gesetzes. Außerdem erklärte Newton damit die geradlinige, unbeschleunigte Bewegung in einem absolut angenommenen Raum zum Normalfall. Nur wenn die Bewegung eines Körpers davon abweicht, muss man dies mit der Wirkung von Kräften erklären. Noch kurz vor Newton ging man davon aus, dass die Kreisbewegung der Normalfall sei.<ref>Wilfried Kuhn: Ideengeschichte der Physik. Springer, 2. Auflage, 2016, S. 218.</ref>
Newton selbst hat seine drei ‹Gesetze der Bewegung› nicht als originell aufgefasst oder für sie Priorität beansprucht.<ref>Das geht hervor aus dem Scholium, Seite 39, in der Ph. Wohlfers-Übersetzung von Newtons Mathematische Prinzipien, Berlin 1872 und S. 20 in der originalen Ausgabe I. Newton (1687).</ref><ref>Siehe auch Helmut Pulte, Das Prinzip der kleinsten Wirkung und die Kraftkonzeption der rationalen Mechanik. (Steiner) Stuttgart 1989: Seite 17.</ref> Tatsächlich finden sich auch gewisse Vorgänger des zweiten Gesetzes sowohl in Galileis Schriften (Newton erwähnt seine Discorsi) und in der Mechanica (1670) von John Wallis, wo er die Richtungsänderung bei elastischen Stößen betrachtet.<ref>Siehe dazu É. Jouguet, Lectures de Mécanique. (Gauthier-Villars) Paris 1908: Seite 123 f. (Kapitel XI, Du Choc).</ref> Nicht die Quantitas motus <math>mv</math> nach Descartes, sondern ihre Änderungsrate <math>\Delta (mv)</math> gilt als die entscheidende Größe zur dynamischen Beschreibung von Bewegungsabläufen. Und das dritte Gesetz, das Gegenwirkungsprinzip, findet sich auch in der Stoßmechanik Wallis’ und war bereits Teil der Cartesischen Dynamik.<ref>Siehe Descartes, Principia philosophiae, II. §29: Seite 44 in C. Alan, P. Tannery (Hrsg.), Bd. 9 (Oeuvres), Paris 1904.</ref> Was hingegen Newton durchaus als seinen Beitrag zur Formulierung der Mechanik ansah – das macht er auch im ersten Vorwort zu seinen Principia (1687) deutlich – war ihre klare Voranstellung als Prinzipien. Das beinhaltet die Annahme, dass die Beschreibung der Naturphänomene durch Kraftgesetze hinreichen würde; dass die Physik aller Körperbewegungen zu einer ‹Rationalen Mechanik›<ref>Seite 1 in der Ph. Wohlfers-Übersetzung von Newtons Mathematische Prinzipien, Berlin 1872 und Praefatio in der originalen Ausgabe I. Newton (1687): dort ist von „Mechanica Rationale“ die Rede.</ref> ausgebildet werden könne und keine lose Ansammlung aus einer Vielzahl empirischer Gesetzmäßigkeiten bleibt. Auch später bestätigt Newton das so:
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| {{#if:trim|Wenn man aber aus den Erscheinungen zwei oder drei allgemeine Principien der Bewegung herleitet und dann angiebt, wie aus diesen klaren Principien die Eigenschaften und Wirkungen
aller körperlichen Dinge folgen, so würde dies ein grosser Fortschritt in der Naturforschung sein, wenn auch die Ursachen dieser Principien noch nicht entdeckt wären. Deshalb trage ich kein Bedenken, die oben erwähnten Principien der Bewegung, welche eine sehr allgemeine Ausdehnung besitzen, aufzustellen und die Entdeckung ihrer Ursachen Anderen anheimzugeben.}}
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Literatur
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- Jerry Marion, Stephen Thornton: Classical Dynamics of Particles and Systems. Harcourt College Publishers, 1995, ISBN 0-03-097302-3.
- G. R. Fowles, G. L. Cassiday: Analytical Mechanics. 6. Auflage. Saunders College Publishing, 1999, ISBN 0-03-022317-2.
- Ulrich Hoyer: Ist das zweite Newtonsche Bewegungsaxiom ein Naturgesetz? In: Zeitschrift für allgemeine Wissenschaftstheorie. Band VIII, 1977, S. 292–301, doi:10.1007/BF01800698.
Weblinks
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Einzelnachweise
<references> <ref name="NewtonPNPM13"> Philosophiae naturalis principia mathematica. London, 1726 S. 13 (GDZ) – fast ebenso in der Auflage Genf 1739, S. 20 (Digitalisat, 60 of 589): „Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.“ </ref> </references>
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- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Zitat
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Schwesterprojekt
- Klassische Mechanik
- Isaac Newton als Namensgeber