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Grundwissen

1. Newtonsches Gesetz (Trägheitsgesetz)

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
  • Auch ein in in Bewegung befindlicher Körper bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
  • Dieses Verhalten wird im 1. Newtonschen Gesetz beschrieben.
  • Im Alltag wirken häufig Reibungskräfte als äußere Kräfte, die einen in Bewegung befindlichen Körper abbremsen.
Aufgaben Aufgaben

Idealisierung einer reibungsfreien Bewegung

Abb. 1 Idealisierung einer reibungsfreien Bewegung

Wirken auf eine rollende Kugel praktisch eine Reibungskräfte, wie es auf glatt poliertem Holz der Fall ist, so bewegt sich die Kugel auf gerader Strecke ohne Krafteinwirkung mit konstanter Geschwindigkeit \(v\). Eine solche reibungsfrei Bewegung wird im Versuch mit der rollenden Stahlkugel idealisiert.

Dieses Verhalten einer reibungsfreien Bewegung stellten auch GALILEI und NEWTON fest. Sie formulierten, dass die gleichförmige Bewegung der "Normalzustand" eines Körpers ist, für den es keine resultierende Kraft benötigt. Dies gilt sowohl wenn sich ein Körper mit einer Geschwindigkeit \(v\) bewegt, als auch für einen Körper im Ruhezustand mit \(v=0\).

Diese Erkenntnis wird im 1. Newtonschen Gesetz formuliert.

1. Newtonsches Gesetz

Jeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, wenn der Körper nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.

Neben der oben gewählten Formulierung gibt es noch weiter Möglichkeiten, dass 1. Newtonsche Gesetz zu formulieren. Aus physikalischer Sicht ist die Aussage aber jeweils identisch.

Erklärung des 1. Newtonschen Gesetzes und Auswirkung in Experimenten

Auswirkungen des 1. Newtonschen Gesetzes im Alltag

In den folgenden Bildern und Animationen sind zwei Situationen aus dem Straßenverkehr dargestellt, die eindrucksvoll zeigen, dass Körper ihre gleichförmige Bewegung beibehalten, wenn keine äußeren Kräfte auf den Körper einwirken.

Reale Situation:
Prinzipielle Darstellung:
(Der gelbe bzw. rote Körper sitzt nur locker auf dem blauen Fahrzeug)
Abb. 4 Wirkung der Trägheit bei Änderung des Betrags der Geschwindigkeit
Abb. 6 Wirkung der Trägheit bei Änderung der Richtung der Geschwindigkeit

Alltagserfahrung vs. 1. Newtonsches Gesetz

Abb. 7 Ein Radfahrer muss Kraft ausüben, um die Geschwindigkeit zu halten

Wenn du mit dem Fahrrad fährst, musst du - selbst bei ebener Strecke - in die Pedale treten und Kraft ausüben, um eine konstante Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten. Hört deine Kraftwirkung auf, so kommt das Fahrrad zum Stillstand. Wie verträgt sich diese Erfahrung mit dem 1. Newtonsches Gesetz?

Die Lösung ist, dass das Radfahren in der Realität natürlich nicht reibungsfrei ist. Daher musst du, um mit konstanter Geschwindigkeit zu fahren, so stark in die Pedale treten, dass du die gegen die Fahrtrichtung wirkende Reibungskraft ausgleichst. Dann ist die resultierende Kraft auf das Fahrrad Null und du fährst mit konstanter Geschwindigkeit. Dies steht im Einklang mit dem 1. Newtonschen Gesetz.

Aufgabe
Verständnisaufgabe

Du stehst in einem Zug, der mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fährt. Nun legst du einen Ball ruhend vor dich mitten in den Gang des Zuges.

Markiere, welche der folgenden Aussagen die Bewegung des Balles von dir aus gesehen korrekt beschreibt, wenn der Zug zunächst abbremst und anschließend eine Linkskurve fährt. Reibungseffekte können vernachlässigt werden.

Lösungsvorschläge

Lösung

Da auf den Ball beim Bremsen des Zug (unter Vernachlässigung der Reibung) keine Kraft wirkt, bewegt sich dieser geradlinig gleichförmig weiter. Bremst der Zug, so rollt der Ball von dir weg, durchfährt der Zug eine Linkskurve, so bewegt sich der Ball von dir aus gesehen nach rechts.