Idealisierung einer reibungsfreien Bewegung
Wirken auf eine rollende Kugel praktisch keine 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 weitere 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.
Einfluss bei Änderung des Geschwindigkeitsbetrags
Prinzipielle Darstellung: Die Kiste sitzt nur locker auf dem blauen Fahrzeug.
Abb. 4 Wirkung der Trägheit bei Änderung des Betrags der Geschwindigkeit
Einfluss bei Änderung der Geschwindigkeitsrichtung
Prinzipielle Darstellung: Die Kiste sitzt nur locker auf dem blauen Fahrzeug.
Abb. 6 Wirkung der Trägheit bei Änderung der Richtung der Geschwindigkeit
Alltagserfahrung vs. 1. Newtonsches Gesetz
Joachim Herz Stiftung
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.