Bewegung ist ein Hauptthema in der Mechanik.
Es gibt verschiedene Gesetze, die Bewegung und die Ursachen von Bewegungsänderungen erklären. Das bekannteste dieser Bewegungsgesetze wurde von Sir Issac Newton vorgeschlagen. Er stellte die drei Bewegungsgesetze in Mathematical Principles of Natural Philosophy (veröffentlicht 1687) zusammen.
Bevor wir mit der Erörterung der Newtonschen Bewegungsgesetze beginnen, wollen wir uns einige grundlegende Begriffe und Konzepte ansehen, die zur Beschreibung der Bewegung verwendet werden.
Kraft ist ein Druck oder ein Zug, der auf ein Objekt wirkt, um es zu bewegen oder seine Bewegung zu ändern.
Geschwindigkeit wird auch als Geschwindigkeit bezeichnet. Die Geschwindigkeit eines Objekts wird durch Kräfte beeinflusst.
Die Beschleunigung ist ein Maß dafür, wie stark sich die Geschwindigkeit eines Objekts in einer bestimmten Zeit (einer Sekunde) ändert.
Masse ist die Menge von etwas Vorhandenem und wird in Gramm oder Kilogramm gemessen.
Der Impuls ist die Gesamtmenge an Bewegung, die in einem Körper vorhanden ist.
Newtons erstes Bewegungsgesetz
Ein Körper befindet sich weiterhin in seinem Ruhezustand oder in gleichmäßiger Bewegung entlang einer geraden Linie, sofern keine äußere Kraft auf ihn ausgeübt wird. Ob wir auf die Fahrradpedale treten, um den Hügel hinaufzukommen, auf den Boden drücken, um zum Park zu gehen, oder an einer festsitzenden Schublade ziehen, um sie zu öffnen - die Kraft, die wir ausüben, bringt die Dinge in Bewegung. Newtons erstes Gesetz besagt, dass die Geschwindigkeit des Objekts konstant bleiben muss, wenn eine Nettokraft von Null wirkt. Wenn das Objekt stillsteht, steht es weiterhin still. Wenn es sich anfänglich bewegt, bewegt es sich weiterhin in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit.
Newtons erstes Gesetz definiert die Trägheit und wird zu Recht als Trägheitsgesetz bezeichnet . Um Ketchup vom Boden einer Ketchupflasche zu entfernen, wird er häufig auf den Kopf gestellt und mit hoher Geschwindigkeit nach unten gedrückt und dann abrupt angehalten.
Einige Anwendungen von Newtons erstem Bewegungsgesetz sind wie folgt:
- Um einen fahrenden Bus sicher zu erwischen, müssen wir in Bewegungsrichtung des Busses vorwärts rennen.
- Wann immer es erforderlich ist, aus einem fahrenden Bus zu springen, müssen wir nach dem Springen auf der Straße immer eine kurze Strecke laufen, um zu verhindern, dass wir in Vorwärtsrichtung fallen.
- Blut fließt von Kopf bis Fuß und bleibt beim Fahren in einem absteigenden Aufzug schnell stehen.
- Der Kopf eines Hammers kann am Holzgriff festgezogen werden, indem die Unterseite des Griffs gegen eine harte Oberfläche geschlagen wird.
- Kopfstützen werden in Autos platziert, um Schleudertrauma bei Auffahrunfällen zu vermeiden.
- Während Sie ein Skateboard (oder einen Wagen oder ein Fahrrad) fahren, fliegen Sie vom Brett vorwärts, wenn Sie auf eine Bordsteinkante oder einen Felsen oder einen anderen Gegenstand treffen, der die Bewegung des Skateboards abrupt stoppt.
Newtons zweites Bewegungsgesetz
Nach dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz ist die Änderungsrate des Impulses direkt proportional zur ausgeübten Kraft, und diese Änderung erfolgt immer in Richtung der ausgeübten Kraft. Die auf ein Objekt wirkende Nettokraft ist gleich dem Produkt aus der Masse des Objekts und seiner Beschleunigung.
Nettokraft = Masse * Beschleunigung oder F = ma
Je mehr Masse das Objekt hat, desto mehr Nettokraft muss verwendet werden, um es zu bewegen.
Einige Anwendungen des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes sind wie folgt:
- Wenn Sie mit der gleichen Kraft einen LKW schieben und ein Auto schieben, hat das Auto mehr Beschleunigung als der LKW, da der LKW weniger Masse hat.
- Es ist einfacher, einen leeren Einkaufswagen als einen vollen zu schieben, da der volle Einkaufswagen mehr Masse hat als der leere. Dies bedeutet, dass mehr Kraft erforderlich ist, um den vollen Einkaufswagen zu schieben.
- Ein Cricketspieler senkt seine Hände, während er den Ball fängt. Wenn ein Spieler beim Fangen des Balls seine Hände nicht senkt, ist die Zeit zum Stoppen des Balls sehr gering. Es muss also eine große Kraft angewendet werden, um die Geschwindigkeit des Balls auf Null zu reduzieren oder den Impuls des Balls zu ändern. Wenn ein Spieler seine Hände senkt, erhöht sich die Zeit, die zum Stoppen des Balls benötigt wird, und daher muss weniger Kraft angewendet werden, um die gleiche Änderung des Impulses des Balls zu bewirken. Daher werden die Hände des Spielers nicht verletzt.
- Ein Karate-Spieler bricht mit einem einzigen Schlag die Stapel von Kacheln oder Ziegeln. Wenn ein Karate-Spieler mit seinen Händen auf die Stapel von Kacheln schlägt, tut er dies so schnell wie möglich. Mit anderen Worten, die Zeit, die benötigt wird, um die Stapel von Kacheln zu schlagen, ist sehr gering. Da sich der Impuls der Hand eines Karate-Spielers auf Null verringert, wenn seine Hände in einem sehr sehr kurzen Zeitintervall auf die Kachelstapel schlagen, wird eine sehr große Kraft auf den Kachelstapel ausgeübt. Diese Kraft reicht aus, um den Fliesenstapel zu brechen.
Newtons drittes Bewegungsgesetz
Das dritte Bewegungsgesetz besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt, die mit demselben Impuls und derselben entgegengesetzten Geschwindigkeit wirkt. Die Aussage bedeutet, dass in jeder Interaktion ein Paar von Kräften auf die beiden interagierenden Objekte wirkt. Die Größe der Kräfte auf das erste Objekt entspricht der Größe der Kraft auf das zweite Objekt. Die Richtung der Kraft auf das erste Objekt ist entgegengesetzt zur Richtung der Kraft auf das zweite Objekt. Kräfte kommen immer paarweise - gleiche und entgegengesetzte Aktions-Reaktionskraft-Paare.
Einige Anwendungen des dritten Newtonschen Bewegungsgesetzes sind wie folgt:
- Wenn Luft aus einem Ballon strömt, ist die entgegengesetzte Reaktion, dass der Ballon hochfliegt.
- Wenn Sie von einem Sprungbrett tauchen, drücken Sie auf das Sprungbrett. Das Brett springt zurück und zwingt dich in die Luft.
- Denken Sie darüber nach, wie Fische durch das Wasser schwimmen. Ein Fisch benutzt seine Flossen, um Wasser nach hinten zu drücken. Das Wasser drückt den Fisch auch nach vorne und treibt ihn so durch das Wasser. Die Größe der Kraft auf das Wasser entspricht der Größe der Kraft auf den Fisch; Die Richtung der Kraft auf das Wasser (rückwärts) ist entgegengesetzt zur Richtung der Kraft auf den Fisch (vorwärts). Für jede Aktion gibt es eine gleiche (in der Größe) und entgegengesetzte (in der Richtung) Reaktionskraft. Aktions-Reaktions-Kraftpaare ermöglichen das Schwimmen von Fischen.
- Betrachten Sie die Flugbewegung von Vögeln. Ein Vogel fliegt mit seinen Flügeln. Die Flügel eines Vogels drücken die Luft nach unten. Da Kräfte aus gegenseitigen Wechselwirkungen resultieren, muss die Luft den Vogel auch nach oben drücken. Die Größe der Kraft auf die Luft entspricht der Größe der Kraft auf den Vogel; Die Richtung der Kraft auf die Luft (nach unten) ist entgegengesetzt zur Richtung der Kraft auf den Vogel (nach oben). Diese Aktions-Reaktions-Kraftpaare ermöglichen es Vögeln zu fliegen.
