Newtons drei Gesetze

Ein Auto mit 1200 kg benötigt eine resultierende Kraft von 3600 N, um mit 3 m/s² zu beschleunigen.

Erstes Gesetz: Körper behalten ihren Bewegungszustand bei

Schiebst du ein Buch über einen Tisch, bleibt es stehen. Lange schloss man daraus, bewegte Körper kämen von selbst zur Ruhe und müssten ständig angeschoben werden. Galilei sah das anders. In Two New Sciences (1638) stellte er sich eine Kugel vor, die auf einer vollkommen glatten, endlosen waagerechten Ebene rollt. Sie würde, so sein Argument, für immer weiterrollen. Das Buch hält an, weil Reibung auf es wirkt, nicht weil Stillstand sein natürlicher Zustand wäre.

Isaac Newton machte daraus das erste seiner drei Gesetze in den Principia von 1687. Sinngemäß formuliert es OpenStax so: Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe, ein bewegter Körper behält seine Geschwindigkeit bei, solange keine resultierende äußere Kraft auf ihn wirkt. Diese Neigung, den Bewegungszustand beizubehalten, heißt Trägheit. Die Masse ist ihr Maß. Einen vollen Einkaufswagen setzt du schwerer in Bewegung und hältst ihn schwerer an als einen leeren, weil er träger ist. Auch Sicherheitsgurte brauchst du wegen des ersten Gesetzes: Hält ein Auto plötzlich an, bewegt sich dein Körper weiter nach vorn, bis eine Kraft ihn abbremst.

Zweites Gesetz: F = m a

Das zweite Gesetz beschreibt, wie stark ein Körper beschleunigt, wenn die Kräfte auf ihn nicht im Gleichgewicht sind. Die Beschleunigung zeigt in Richtung der resultierenden Kraft, ist proportional zu ihr und umgekehrt proportional zur Masse: a = F_net ÷ m, meist geschrieben als F_net = m a. Schiebst du einen Wagen von 2 kg mit einer resultierenden Kraft von 10 N, beschleunigt er mit 5 m/s². Ein Auto von 1200 kg mit 3 m/s² zu beschleunigen, erfordert 3600 N. Entscheidend ist die resultierende Kraft: Schiebst du eine Kiste von 5 kg mit 50 N und wirkt die Reibung mit 20 N dagegen, bleiben 30 N. Die Kiste beschleunigt mit 6 m/s².

Das zweite Gesetz erklärt auch, warum alle Körper mit derselben Beschleunigung fallen. Auf einen schwereren Körper wirkt eine größere Schwerkraft, doch er hat auch mehr Masse, die beschleunigt werden muss. Beide Effekte gleichen sich genau aus: a = m g ÷ m = g.

Drittes Gesetz: Kräfte treten paarweise auf

Drückt oder zieht ein Körper an einem zweiten, drückt oder zieht der zweite mit einer gleich großen, entgegengesetzten Kraft am ersten. Ein Schwimmer drückt Wasser nach hinten, das Wasser drückt ihn nach vorn. Eine Rakete stößt heiße Gase aus ihrer Düse, die Gase drücken die Rakete nach oben. Sie braucht keine Luft, gegen die sie sich abstützt. Deshalb funktionieren Raketen im Weltraum. Beim Gehen drückt dein Fuß den Boden nach hinten, und der Boden drückt dich nach vorn.

Die beiden Kräfte eines solchen Paares wirken auf verschiedene Körper. Deshalb heben sie einander nie auf. Genau hier liegt ein häufiger Denkfehler. Zieht ein Pferd einen Wagen, zieht der Wagen genauso stark am Pferd zurück. Trotzdem bewegen sich beide, denn ob das Pferd beschleunigt, hängt von allen Kräften auf das Pferd ab, auch von der Kraft des Bodens auf seine Hufe.

Bei einem einzigen Fußballschuss kannst du alle drei Gesetze erkennen. Vor dem Schuss ruht der Ball, weil die resultierende Kraft auf ihn null ist (erstes Gesetz). Während des kurzen Kontakts drückt dein Fuß gegen den Ball. Je stärker die Kraft, desto größer die Beschleunigung des Balls (zweites Gesetz). Gleichzeitig drückt der Ball genauso stark gegen deinen Fuß zurück. Du spürst den Stoß an den Zehen (drittes Gesetz). Sobald der Ball deinen Fuß verlassen hat, wirken nur noch Schwerkraft und Luft auf ihn. Seine Bahn ist die Wurfbewegung aus dem Kurs „Bewegung“.