Daraus folgt zwingend das zweite Newton’sche Gesetz, die Definition der Kraft: Zweites Newton’sches Gesetz Wenn eine Kraft → F auf einen Körper wirkt, wird dieser beschleunigt: Er wird schneller oder langsamer oder er ändert seine Bewegungsrichtung. Die Kraft → F ist direkt proportional zur Beschleunigung →a . Welcher Zusammenhang besteht zwischen Kraft und Masse? Untersuche, überlege, forsche: Kraft 38.1 E1 Nimm verschiedene Bälle, wirf sie hoch und fange sie auf. In welchen Fällen musst du viel Kraft aufwenden, in welchen Fällen weniger? Begründe deine Antwort. 38.2 E2 Nimm einen (kleinen) Wagen mit einem Magneten. Mit Hilfe eines zweiten Magneten kannst du den Wagen beschleunigen, abbremsen oder seine Bewegungsrichtung ändern. Lege unterschiedliche Massestücke auf den Wagen. Protokolliere deine Beobachtungen. Es zeigt sich, dass in allen Fällen die Masse eine zentrale Rolle spielt. Experiment: Masse und Beschleunigung 38.1 Du brauchst: einen Wagen, mehrere gleiche Massestücke, Rolle, Schnur, Kraftmesser, Luftkissenbahn (wenn möglich) E2 a) Befestige die Schnur am Wagen und spanne einen Kraftmesser zwischen Schnur und Wagen. Führe sie über die Rolle und hänge an sie ein Massestück (38.2). Protokolliere das Verhalten des Wagens bei unterschiedlichen Beladungen. E3 b) Dasselbe Experiment soll nun reibungsfrei mit einer Luftkissenbahn durchgeführt werden. Überlege, was geschehen wird. Führe dann das Experiment durch, protokolliere die Ergebnisse und bestimme das Verhältnis zwischen Masse des beladenen Wagens und Beschleunigung bei konstanter Kraft. Genaue Experimente zeigen: (I) Die Beschleunigung, die ein Körper erfährt, ist direkt proportional zur einwirkenden Kraft. (II) Die Beschleunigung, die ein Körper bei gleicher Krafteinwirkung erfährt, ist indirekt proportional zu seiner Masse. Die Beziehung → a = → F _ m beschreibt diesen Sachverhalt. Daraus ergibt sich das zweite Newton’sche Gesetz: Definition der Kraft – Zweites Newton’sches Gesetz Kraft = Masse mal Beschleunigung → F = m· → a Kräfte sind vektorielle Größen. Im oben genannten Fall hat die Kraft die gleiche Richtung wie die Beschleunigung. Setzt man die Kraft → F = 0, so hat man den Fall des ersten Newton’schen Gesetzes: die Beschleunigung ist null, die Geschwindigkeit konstant. Die Einheit der Kraft ist nach dieser Definition kg·m/s2. Man nennt die Einheit der Kraft Newton und kürzt sie mit N ab. Die Einheit der Kraft ist das Newton (N). Eine Kraft von 1 N beschleunigt eine Masse von 1 kg mit 1 m/s2. 1 N = 1 kg·m/s2 = 1 kg·m·s‒2 „Die Schwierigkeit der Physik besteht ... darin, aus den Erscheinungen der Bewegung die Kräfte der Natur zu erfassen, um hierauf durch diese Kräfte die übrigen Erscheinungen zu erklären.“ (Isaac Newton in Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687) 38.1 Isaac Newton (1643–1727). Newton wurde ein Jahr nach Galileis Tod geboren. Er war Universitätsprofessor in Cambridge. Wir verdanken ihm u. a. den systematischen Aufbau der Mechanik, wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Optik und die Grundlagen der Differential- und Integralrechnung. a a F F 38.2 Beide Systeme werden mit gleicher Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist umso kleiner, je größer die Masse ist. Vernachlässigt man die Reibungskraft, so ist die Beschleunigung indirekt proportional zur Masse. Massen-Größenordnung in kg 1 l Wasser 100 Mensch 102 Elefant 104 Stephansdom 108 Lufthülle der Erde 1018 Weltmeere 1020 Mond 1022 Erde 1024 Sonne 1030 38.3 Verschiedene Massen 38 Mechanik I 1 Die Newton’schen Gesetze Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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