Newtons Erstes Gesetz (Voyager 2 vor Uranus)
Newtons Erstes Gesetz: Nach neun Jahren Flugzeit erreichte die Weltraumsonde 1986 den Uranus, Image, licensed under CC BY-SA 3.0

Das erste Gesetz von Newtons Gesetzen der Mechanik besagt, dass ein Körper, Gegenstand oder System, auf welches keine äussere Kraft wirkt, eine konstante Geschwindigkeit behält. Eine konstante Geschwindigkeit heisst, dass das System keine Beschleunigung erfährt und somit Betrag und Richtung der Geschwindigkeit konstant bleiben. Wenn keine Kraft wirkt, dann sprechen wir auch von Kräftegleichgewicht.

Newtons Erstes Gesetz zeigt sich bei Raumsonden, die kräftefrei und ohne Antrieb, ihre hohe Geschwindigkeit beibehalten und auf gerader Linie durchs All fliegen.

Zu beachten ist, dass ruhende Systeme eine Geschwindigkeit von null haben. Newtons Erstem Gesetz folgend, verharren diese Systeme in Ruhe, wenn sie im Kräftegleichgewicht sind.

Beachte, dass ein System in Ruhe auch eine Geschwindigkeit hat, nämlich null. Wenn dieses System eine konstante Geschwindigkeit behalten und in Ruhe bleiben soll, dann müssen wir das Kräftegleichgewicht fordern! Diese Überlegung bildet die Grundlage der Statik, v.a. für Bauwerke, Brücken etc.

Ein abgeschossener Fussball, auf welchen weder Luftwiderstand, noch Gravitationskraft wirken, fliegt auf gerader Linie davon. Der Grund, warum seine Flugbahn nicht gerade ist, sind eben Luftwiderstand und Gravitationskraft. Schiessen wir aber eine Weltraumsonde ab, wie beispielsweise die Raumsonde Voyager 1, so fliegt diese auch ohne Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit immer weiter. Voyager 1 ist seit 1977 unterwegs und hatte rund 40 Jahre später einen Abstand zur Erde von $2.05\cdot10^{10}\;\text{km}$, was etwa dem 5-fachen Abstand zum äussersten Planeten Neptun entspricht!

Newtons Erstes Gesetz (Kräftegleichgewicht)
Newtons Erstes Gesetz: Ein Flugzeug, das auf konstanter Höhe mit konstanter Geschwindigkeit fliegt, ist im Kräftegleichgewicht.

Ein Flugzeug, das im Kräftegleichgewicht ist, erfüllt die Bedingung des Ersten Gesetzes von Newton. Es fliegt somit mit konstanter Geschwindigkeit (Richtung und Betrag). Anders herum wissen wir, dass ein Flugzeug, das seine Geschwindigkeit oder Flugrichtung ändern will, auf eine Kraft angewiesen ist. Eine solche Kraft bringen ihm die Triebwerke oder die Luft an den Klappen der Flügel oder des Ruders.

Beispiel

Erkläre die Situation im Bild mit Newtons Erstem Gesetz.

Newtons Erstes Gesetz
Newtons Erstes Gesetz, Image by Clayton Cardinalli, shared on Unsplash

Beim Wurf trennt sich der Ball von der Hand und fliegt davon, ohne dass eine Kraft ihn weiter beschleunigen kann. Da der Ball im Flug praktisch kraftfrei ist (Luftwiderstand und Gravitationskraft der Erde vernachlässigt), fliegt er gemäss Newtons Erstem Gesetz mit der Geschwindigkeit (und Richtung) weiter, die er beim Abwurf hatte.
Genau genommen haben wir aber etwas Luftwiderstand, d.h. die Geschwindigkeit wird stetig abnehmen. Die Gewichtskraft zieht am Ball nach unten, was seine gerade Flugbahn verändert. Sie macht aus der geraden Flugbahn eine gekrümmte Bahn (Flugparabel).

Aufgabensammlung

  • Hängende Lampe (0073)