Was du wissen musst
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Wie wurden die Newtonschen Gesetze entdeckt?
Isaac Newton veröffentlichte seine drei Gesetze im Jahre 1687 in seinem berühmten Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“. Das erste Gesetz, das Trägheitsprinzip, war schon vor ihm entdeckt worden. Galileo Galilei hatte bereits vor Newton erkannt, dass eine Kraft zwar nötig ist, um einen Körper zu beschleunigen (also um zum Beispiel seine Geschwindigkeit zu ändern), aber keine Kraft nötig ist, um einen Körper, der eine gradlinige Bewegung ausführt, auf konstanter Geschwindigkeit zu halten. (Die alten Griechen waren stattdessen davon ausgegangen, dass dafür ein konstanter Antrieb notwendig sei.)
In seinem berühmten Werk bilden die drei newtonschen Gesetze, zusammen mit einigen anderen Erkenntnissen, die Grundlage seiner weiteren Forschung in der Mechanik. Sie waren teilweise vor Newton bereits bekannt, andere verallgemeinerte er. Seine Gesetze fand er schließlich durch seine eigenen Versuche und die anderer bestätigt. So merkt er nach dem Erwähnen seiner Gesetze zu Beginn seines Werkes an: „Bis jetzt habe ich die Prinzipien dargestellt, welche von den Mathematikern angenommen, und durch vielfältige Versuche bestätigt worden sind.“ Eines der Highlights seines Werkes ist das Gravitationsgesetz, das er mithilfe seiner grundlegenden Gesetze und der Beobachtungen von Kepler herleiten konnte.
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Wo gelten die newtonschen Gesetze?
Streng genommen gelten die newtonschen Gesetze nur unter folgenden Bedingungen:
- keine Reibung
- nicht beschleunigtes Bezugssystem
- Geschwindigkeiten der Körper sind viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit
- bewegte Objekte sind makroskopisch
Einigen dieser Einschränkungen begegnen wir im Alltag: Wir wissen beispielsweise aus Erfahrung, dass Objekte in unserer Umgebung durch Reibung abgebremst werden und so an Geschwindigkeit und damit auch an Impuls verlieren.
Andere Einschränkungen konnte Newton nicht vorhersehen. Dies gilt besonders für die großen Geschwindigkeiten und die mikroskopischen Effekte. Wenn sich Objekte sehr schnell bewegen (nahe der Lichtgeschwindigkeit), dann treten relativistische Effekte auf, die durch Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie beschrieben werden. Ebenso ist die Bewegung von mikroskopischen Objekten (einzelnen Teilchen) durch die Quantenmechanik beschrieben, die nach ganz anderen Gesetzen funktioniert als die newtonsche Mechanik.
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Wozu braucht man die newtonschen Gesetze?
Die newtonschen Gesetze zählen zu den wichtigsten Gesetzen der Physik. Mit ihnen revolutionierte Newton unser Verständnis von Bewegungen und begründete die Mechanik, einen großen Zweig der Physik. Er änderte auch das Weltbild der Menschen, indem er beispielsweise mit seinem Gravitationsgesetz zeigte, dass die Schwerkraft auf der Erde das gleiche Phänomen ist, das den Mond an die Erde bindet und dafür verantwortlich ist, dass sich die Erde um die Sonne dreht.
Auch heute sind seine Gesetze weit davon entfernt, vergessen zu werden. Wir wissen zwar, dass wir seine Gesetze für sehr hohe Geschwindigkeiten und für sehr kleine Objekte (einzelne Teilchen) nicht anwenden können, aber diese Bereiche liegen größtenteils außerhalb unseres Alltags. Wenn es also beispielsweise hier auf der Erde darum geht, eine Kraft oder eine Beschleunigung zu berechnen, dann können wir das zweite newtonsche Gesetz immer noch verwenden, zum Beispiel, wenn Ingenieure oder Architekten die Aufprallkräfte bei einem Autounfall oder die Eigenlast einer Brücke berechnen.
Übrigens: Obwohl wir heutzutage eine bessere Theorie für die Gravitation haben (Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie), eignet sich das newtonsche Gravitationsgesetz immer noch ganz gut, um die Bewegung der Planeten zu beschreiben.