Las leyes de Newton (o los principios fundamentales de la mecánica ) son tres leyes de la física clásica que relacionan las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento de ese cuerpo. Estas leyes fueron declaradas por Sir Isaac Newton (también basado en los estudios de Galileo).
Las leyes de Newton son suficientes para explicar todos los movimientos de la mecánica clásica, es decir, movimientos que tienen lugar a velocidades mucho más bajas que la velocidad de la luz en el vacío. Todas ellas se pueden demostrar mediante la aplicación del método científico.
Estas tres leyes se basan en un sistema de referencias inerciales, es decir, con fuerzas reales con velocidad constante.
Primera ley de Newton: la ley de inercia
La primera ley de Newton, también conocida como la ley de la inercia, establece que :
“Cualquier cuerpo mantiene un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme mientras no actúen otras fuerzas sobre él o la suma de las fuerzas que actúan sobre él sea cero.”
Si un objeto que se mueve no recibe ninguna fuerza extra se mueve en línea recta con una velocidad constante. Si por el contrario, a este mismo cuerpo le ejercemos una fuerza lateral cambiará de dirección. En otras palabras, un objeto no cambiará su estado de movimiento a menos que algo lo haga.
Ejemplos
Por ejemplo, si empujas una caja sobre una superficie sin fricción, seguirá moviéndose indefinidamente a menos que apliques una fuerza opuesta.
Por otro lado, si una pelota está quieta en el suelo, permanecerá quieta a menos que algo la haga moverse.
Andererseits beschreibt der Mond eine Kreisbahn, weil er aufgrund der Schwerkraft, mit der sich Erde und Mond gegenseitig anziehen (Gesetz der universellen Gravitation), ständig eine Zentripetalkraft in Richtung Erde erfährt. Wenn der Mond oder ein anderer Himmelskörper nicht den Einfluss der Schwerkraft anderer Planeten hätte, würden sie eine geradlinige Bahn beschreiben.
Newtons zweites Gesetz: Gesetz der Dynamik
Das zweite Newtonsche Gesetz ist das Grundgesetz der Dynamik: Es legt den Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung fest.
„Eine auf einen Körper einwirkende Kraft verleiht ihm eine Beschleunigung, die proportional zur Kraft und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers ist.“
Impulsformel
Die Masse ist ein Maß für die Menge an Materie im Körper. Newton führt den Begriff des Impulses ein. Dies ist eine Vektorgröße, die dem Produkt aus Masse und Geschwindigkeitsvektor entspricht.
p = m · v
Wo
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m ist die Masse
-
v ist der Geschwindigkeitsvektor
Kraftformel
Ausgehend vom Impuls können wir die vollständigste Definition der Kraft für einen Körper konstanter Masse ableiten.
F = m a
Wo
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F ist der Kraftvektor (N)
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m ist die Masse (kg)
-
a ist der Beschleunigungsvektor (m/s)
Wenn ein ruhender Körper keine äußere Kraft erhält, bleibt er in Ruhe. Üben wir dagegen eine Nettokraft aus, erfährt der Körper eine Beschleunigung und nimmt eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung an.
Newtons drittes Gesetz: Gesetz von Aktion und Reaktion
Das dritte Gesetz oder Gesetz von Aktion und Reaktion sagt uns Folgendes:
„Wenn ein Körper mit einer Kraft (Aktionskraft genannt) auf einen anderen Körper einwirkt, wirkt der zweite Körper ebenfalls mit einer Kraft (Reaktionskraft genannt) gleicher Größe und Richtung, jedoch in entgegengesetzter Richtung, auf den ersten Körper ein. Dieses Prinzip wird auch als Aktions- und Reaktionsprinzip bezeichnet.“
Beispiele
Ein klassisches Beispiel für dieses Gesetz ist der Impuls einer Weltraumrakete. Wenn Gase aus dem Raketenmotor nach hinten ausgestoßen werden, üben sie eine Vorwärtskraft auf die Rakete aus, wodurch sie in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt.
Das dritte Newtonsche Gesetz ist auch für die Kernenergieerzeugung relevant. Bei der Spaltung eines Urankerns in zwei kleinere Kerne (Kernspaltung) wird eine große Energiemenge freigesetzt.
Diese Energiefreisetzung ist auf die Impulserhaltung zurückzuführen. Durch die Aktion-Reaktion bewegen sich die beiden Kernfragmente mit hoher Geschwindigkeit voneinander weg und diese kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt, die dann zur Stromerzeugung in einem Kernreaktor genutzt wird.
Beispiele für Anwendungen der Newtonschen Gesetze
Newtons Gesetze sind grundlegend für die Physik und finden vielfältige Anwendung im Alltag und in der Wissenschaft.
Einige Beispiele für Bereiche, in denen diese Gesetze besonders relevant sind, sind:
- Ingenieurwesen : Newtons Gesetze sind für die Konstruktion und den Bau von Maschinen, Fahrzeugen und Strukturen von wesentlicher Bedeutung.
- Astronomie : Sie werden verwendet, um die Bewegung von Planeten, Sternen und anderen Himmelskörpern vorherzusagen und zu verstehen.
- Bewegungsphysik : Newtons Gesetze sind die Grundlage der Kinematik, die sich mit der Untersuchung der Bewegung von Objekten befasst.
- Raumfahrttechnik: Sie sind entscheidend für die Konstruktion und den Betrieb von Raumfahrzeugen und Satelliten.
- Automobiltechnik : Sie werden zur Entwicklung von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen wie Airbags und Bremssystemen eingesetzt.
- Biomechanik : Sie helfen zu verstehen, wie Lebewesen sich bewegen und auf auf sie einwirkende Kräfte reagieren.