Was sind Newtons Bewegungsgesetze?

1. Ein ruhendes Objekt bleibt in Ruhe, und ein bewegtes Objekt bleibt mit konstanter Geschwindigkeit und in einer geraden Linie in Bewegung, es sei denn, es wird mit einer unausgeglichenen Kraft beaufschlagt.
2. Die Beschleunigung eines Objekts hängt von der Masse des Objekts und der aufgebrachten Kraft ab.
3. Wenn ein Objekt eine Kraft auf ein anderes Objekt ausübt, übt das zweite Objekt eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf das erste aus.

Sir Isaac Newton arbeitete in vielen Bereichen der Mathematik und Physik. Er entwickelte die Gravitationstheorien 1666, als er erst 23 Jahre alt war. 1686 präsentierte er seine drei Bewegungsgesetze in der „Principia Mathematica Philosophiae Naturalis.“

Durch die Entwicklung seiner drei Bewegungsgesetze revolutionierte Newton die Wissenschaft. Newtons Gesetze erklärten zusammen mit Keplers Gesetzen, warum sich Planeten eher in elliptischen Bahnen als in Kreisen bewegen.

Unten ist ein kurzer Film mit Orville und Wilbur Wright und einer Diskussion darüber, wie Newtons Bewegungsgesetze auf den Flug ihrer Flugzeuge angewendet wurden.

Newtons Erstes Gesetz: Trägheit

Ein ruhendes Objekt bleibt in Ruhe, und ein bewegtes Objekt bleibt mit konstanter Geschwindigkeit und in einer geraden Linie in Bewegung, es sei denn, es wird von einer unausgeglichenen Kraft beaufschlagt.

Newtons erstes Gesetz besagt, dass jedes Objekt in Ruhe oder in gleichmäßiger Bewegung in einer geraden Linie bleibt, es sei denn, es ist gezwungen, seinen Zustand durch die Einwirkung einer äußeren Kraft zu ändern. Diese Tendenz, Änderungen in einem Bewegungszustand zu widerstehen, ist Trägheit. Es wirkt keine Nettokraft auf ein Objekt (wenn sich alle äußeren Kräfte gegenseitig aufheben). Dann behält das Objekt eine konstante Geschwindigkeit bei. Wenn diese Geschwindigkeit Null ist, bleibt das Objekt in Ruhe. Wenn eine externe Kraft auf ein Objekt einwirkt, ändert sich die Geschwindigkeit aufgrund der Kraft.

Beispiele für Trägheit mit Aerodynamik:

• Die Bewegung eines Flugzeugs, wenn ein Pilot die Drosselklappeneinstellung eines Motors ändert.
• Die Bewegung eines Balls, der durch die Atmosphäre fällt.
• Eine Modellrakete wird in die Atmosphäre geschossen.
• Die Bewegung eines Drachens, wenn sich der Wind ändert.

Newtons zweites Gesetz: Kraft

Die Beschleunigung eines Objekts hängt von der Masse des Objekts und der aufgebrachten Kraft ab.

Sein zweites Gesetz definiert eine Kraft als gleich der Impulsänderung (Masse mal Geschwindigkeit) pro Zeitänderung. Der Impuls ist definiert als die Masse m eines Objekts mal seiner Geschwindigkeit V.

Nehmen wir an, wir haben ein Flugzeug an einem Punkt „0“, der durch seinen Ort X0 und seine Zeit t0 definiert ist. Das Flugzeug hat eine Masse m0 und fährt mit der Geschwindigkeit V0. Eine äußere Kraft F auf das oben gezeigte Flugzeug bewegt es zu Punkt „1“. Der neue Standort des Flugzeugs ist X1 und Zeit t1.

Masse und Geschwindigkeit des Flugzeugs ändern sich während des Fluges auf die Werte m1 und V1. Newtons zweites Gesetz kann uns helfen, die neuen Werte von V1 und m1 zu bestimmen, wenn wir wissen, wie groß die Kraft F ist. Nehmen wir einfach den Unterschied zwischen den Bedingungen an Punkt „1“ und den Bedingungen an Punkt „0“.

F = (m1 * V1 – m0 * V0) / (t1 – t0)

Newtons zweites Gesetz spricht von Impulsänderungen (m * V) An diesem Punkt können wir also nicht trennen, wie stark sich die Masse geändert hat und wie stark sich die Geschwindigkeit geändert hat. Wir wissen nur, wie viel Produkt (m * V) sich verändert hat.

Nehmen wir an, die Masse bleibt konstant gleich m. Diese Annahme ist für ein Flugzeug ziemlich gut, die einzige Massenänderung wäre für den zwischen Punkt „1“ und Punkt „0“ verbrannten Treibstoff. Das Gewicht des Treibstoffs ist wahrscheinlich im Verhältnis zum Gewicht des restlichen Flugzeugs gering, insbesondere wenn wir nur kleine zeitliche Änderungen betrachten. Wenn wir über den Flug eines Baseballs sprechen, bleibt die Masse sicherlich konstant. Wenn wir jedoch über den Flug einer Flaschenrakete sprechen, bleibt die Masse nicht konstant und wir können nur Impulsänderungen betrachten. Für eine konstante Masse m sieht Newtons zweites Gesetz so aus:

F = m * (V1 – V0) / (t1 – t0)

Die Geschwindigkeitsänderung geteilt durch die Zeitänderung ist die Definition der Beschleunigung a. Das zweite Gesetz reduziert sich dann auf das bekanntere Produkt einer Masse und einer Beschleunigung:

F = m * a

Denken Sie daran, dass diese Beziehung nur für Objekte mit konstanter Masse gut ist. Diese Gleichung sagt uns, dass ein Objekt, das einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, beschleunigt und dass der Betrag der Beschleunigung proportional zur Größe der Kraft ist. Die Höhe der Beschleunigung ist auch umgekehrt proportional zur Masse des Objekts; Bei gleichen Kräften erfährt ein schwereres Objekt eine geringere Beschleunigung als ein leichteres Objekt. In Anbetracht der Impulsgleichung verursacht eine Kraft eine Geschwindigkeitsänderung; und ebenso erzeugt eine Geschwindigkeitsänderung eine Kraft. Die Gleichung funktioniert in beide Richtungen.

Geschwindigkeit, Kraft, Beschleunigung und Impuls haben sowohl eine Größe als auch eine Richtung. Wissenschaftler und Mathematiker nennen dies eine Vektorgröße. Die hier gezeigten Gleichungen sind eigentlich Vektorgleichungen und können in jeder der Komponentenrichtungen angewendet werden. Wir haben nur eine Richtung betrachtet, und im Allgemeinen bewegt sich ein Objekt in alle drei Richtungen (oben-unten, links-rechts, Vorwärts-zurück).

Beispiel einer Kraft mit Aerodynamik:

• Die Bewegung eines Flugzeugs, die sich aus aerodynamischen Kräften, Flugzeuggewicht und Schub ergibt.

Newtons Drittes Gesetz: Aktion & Reaktion

Wenn ein Objekt eine Kraft auf ein zweites Objekt ausübt, übt das zweite Objekt eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf das erste aus.

Sein drittes Gesetz besagt, dass es für jede Handlung (Kraft) in der Natur eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Wenn Objekt A eine Kraft auf Objekt B ausübt, übt Objekt B auch eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf Objekt A aus. Mit anderen Worten, Kräfte resultieren aus Wechselwirkungen.

Beispiele für aerodynamische Einwirkung und Reaktion:

• Die Bewegung des Auftriebs von einem Schaufelblatt, die Luft wird durch die Wirkung des Schaufelblatts nach unten abgelenkt, und als Reaktion darauf wird der Flügel nach oben gedrückt.
• Die Bewegung eines sich drehenden Balls, die Luft wird zur Seite abgelenkt, und der Ball reagiert, indem er sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt
• Die Bewegung eines Strahltriebwerks erzeugt Schub und heiße Abgase strömen aus der Rückseite des Motors, und eine Stoßkraft wird in die entgegengesetzte Richtung erzeugt.

Überprüfung der Newtonschen Bewegungsgesetze

1. Newtons Erstes Bewegungsgesetz (Trägheit)	Ein ruhendes Objekt bleibt in Ruhe, und ein bewegtes Objekt bleibt mit konstanter Geschwindigkeit und in einer geraden Linie in Bewegung, es sei denn, es wird mit einer unausgeglichenen Kraft beaufschlagt.
2. Newtons zweites Bewegungsgesetz (Kraft)	Die Beschleunigung eines Objekts hängt von der Masse des Objekts und der aufgebrachten Kraft ab.
3. Newtons Drittes Bewegungsgesetz (Aktion & Reaktion)	Wenn ein Objekt eine Kraft auf ein anderes Objekt ausübt, übt das zweite Objekt eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf das erste aus.