Newtons drittes Gesetz ist eines der drei Grundgesetze, die Sir Isaac Newton 1687 in seinem Werk Principia Mathematica formulierte und die über Jahrhunderte die Grundlage der klassischen Mechanik bildeten.
Dieses Gesetz besagt, dass „auf jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion folgt“. Mit anderen Worten: Wenn Objekt A eine Kraft auf Objekt B ausübt, übt Objekt B gleichzeitig eine Kraft gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzter Richtung, auf Objekt A aus.
Obwohl dieses Gesetz einfach erscheinen mag, ist es für das Verständnis der Interaktion von Objekten in unserer Umgebung von grundlegender Bedeutung. Wir werden uns mit dem Konzept anhand detaillierter Beispiele befassen, die sich auf dieses Gesetz beziehen und ein tieferes Verständnis seiner Anwendung ermöglichen.
1. Auf dem Boden gehen
Ein alltägliches und direktes Beispiel für Newtons drittes Gesetz ist das Gehen. Beim Gehen üben Ihre Füße eine nach hinten gerichtete Kraft auf den Boden aus. Das ist die „Aktion“.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz reagiert der Boden mit der Ausübung einer Kraft in die entgegengesetzte Richtung (Reibungskraft), also nach vorne. Dies ist die „Reaktion“, die es Ihnen ermöglicht, voranzukommen. Ohne diese Reaktionskraft könnte man einfach nicht vorankommen. Auf rutschigen Oberflächen wie Eis ist die Reibung minimal und daher ist die Bodenreaktion schwächer, was das Gehen schwieriger macht.
Genauer gesagt kommt es beim Zurückdrücken des Fußes zu einer Wechselwirkung zwischen der Schuhoberfläche und dem Boden. Durch die Reibung zwischen beiden kann die ausgeübte Kraft ausreichen, um eine Vorwärtsreaktion zu erzeugen, die den Körper vorwärts treibt. Die Größe der ausgeübten Kraft entspricht der Kraft, die der Boden auf den Fuß ausübt, jedoch in die entgegengesetzte Richtung.
2. Im Wasser schwimmen
Beim Schwimmen drücken Sie das Wasser mit Händen und Füßen zurück. Dieses Zurückdrängen ist die „Aktion“.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz reagiert Wasser mit einer gleich großen, aber in die entgegengesetzte Richtung wirkenden Kraft, die Sie im Wasser vorwärts treibt. Diese Reaktionskraft ermöglicht es Ihnen, sich beim Schwimmen vorwärts zu bewegen.
Das gleiche Prinzip lässt sich bei Fischen beobachten. Wenn ein Fisch seine Schwanzflosse zur Seite bewegt, drückt er das Wasser in eine Richtung, und als Reaktion darauf drückt das Wasser den Fisch in die entgegengesetzte Richtung, sodass er sich durch das Wasser bewegen kann. Ohne Newtons drittes Gesetz könnten weder Menschen noch Tiere effizient schwimmen.
3. Raketenstart
Der Start einer Rakete ist ein dramatisches Beispiel für die Umsetzung des dritten Newtonschen Gesetzes. Wenn eine Rakete abhebt, werden die in den Triebwerken verbrannten Gase mit großer Kraft nach unten geschleudert, was die „Aktion“ ausmacht.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz wirkt auf die Rakete eine Kraft gleicher Größe, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, also nach oben, wodurch sie vom Boden abheben und in den Weltraum aufsteigen kann.
Dieses Phänomen lässt sich am besten mit Impuls oder Momentum erklären. Die ausgestoßenen Gase erhalten einen großen Abwärtsimpuls, und um den Impuls des Gesamtsystems zu erhalten, erhält die Rakete den gleichen Impuls, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, was den Aufstieg erzeugt.
Diese Anwendung ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung, da ohne dieses Prinzip der Start von Fahrzeugen in den Weltraum unmöglich wäre.
4. Schlagen Sie einen Ball
Wenn Sie Tennis oder Fußball spielen, ist die Interaktion zwischen dem Gerät (Schläger oder Fuß) und dem Ball ein weiteres Beispiel für Newtons drittes Gesetz. Wenn Sie einen Ball schlagen, üben Sie eine Kraft auf ihn aus. Das ist die „Aktion“. Der Ball wiederum übt eine Kraft gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzter Richtung, auf den Schläger oder den Fuß aus. Das ist die „Reaktion“.
In einer weiteren Analyse wirken beide Kräfte für einen sehr kurzen Zeitraum zusammen, wenn der Tennisschläger auf den Ball trifft. Die Reaktionskraft, die der Ball auf den Schläger ausübt, ist in der Hand des Spielers spürbar, was erklärt, warum man einen Ruck oder eine Vibration verspürt, wenn man einen Ball sehr schnell schlägt.
Dieser Kräfteaustausch ist für jede Ballsportart von grundlegender Bedeutung, und die Fähigkeit der Spieler, diese Kräfte zu kontrollieren, bestimmt ihren Erfolg im Spiel.
5. Rudern Sie ein Boot
Ein weiteres interessantes Beispiel ist das Rudern. Wenn Sie das Wasser mit den Rudern nach hinten drücken, üben Sie eine Rückwärtskraft auf das Wasser aus. Das ist die „Aktion“.
Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz reagiert das Wasser, indem es eine entgegengesetzte Kraft auf die Ruder ausübt und das Boot vorwärts schiebt.
Dabei hängt die Effizienz der Bewegung von der Reibung und dem Widerstand des Wassers ab. Da Wasser eine Flüssigkeit ist, bietet es den Rudern Widerstand, was die Anwendung des dritten Gesetzes erleichtert. Wenn Sie versuchen würden, in der Luft zu rudern, wo es nicht genügend Widerstand gibt, würde der gleiche Effekt nicht eintreten, da die Luft nicht die nötige Reaktion liefert, um das Boot vorwärts zu bewegen.
6. Springe auf den Boden
Wenn Sie springen, üben Ihre Beine eine nach unten gerichtete Kraft auf den Boden aus, was die „Aktion“ ist. Der Boden reagiert, indem er eine nach oben gerichtete Kraft gleicher Stärke ausübt, was die „Reaktion“ ist. Diese Reaktionskraft ist es, die Sie beim Sprung nach oben treibt.
In diesem Fall bestimmt die Größe der nach unten auf den Boden ausgeübten Kraft die Höhe des Sprunges. Je größer die Kraft ist, die Sie auf den Boden ausüben, desto größer ist die Reaktionskraft, die der Boden auf Sie ausübt, und desto höher werden Sie springen.
Darüber hinaus erklärt das dritte Gesetz auch, warum es einfacher ist, auf festen Oberflächen wie Beton zu springen als auf weichen Oberflächen wie Sand, wo der Boden keine so starke Reaktion hervorrufen kann.
7. Kollision zwischen einem Auto und einer Wand
Stellen Sie sich vor, ein Auto prallt gegen eine Wand. In diesem Fall übt das Auto beim Aufprall eine Vorwärtskraft auf die Wand aus. Das ist die „Aktion“. Als Reaktion darauf übt die Wand eine Kraft gleicher Größe, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, auf das Auto aus, was die „Reaktion“ darstellt. Diese Reaktionskraft ist es, die das Auto stoppt oder sogar nach hinten schiebt.
In solchen Situationen ist auch das dritte Newtonsche Gesetz entscheidend für das Verständnis des Schadens, den sowohl das Auto als auch die Wand erlitten haben. Wenn sich das Auto schnell bewegt, ist die Kollisionskraft größer, was bedeutet, dass auch die Reaktion der Wand größer ist. Dies erklärt, warum Unfälle bei hoher Geschwindigkeit tendenziell verheerender sind als Unfälle bei niedriger Geschwindigkeit.
Darüber hinaus können die bei der Kollision auftretenden Kräfte je nach Struktur der beteiligten Materialien ungleichmäßig verteilt sein.
8. Wirf einen Stein
Wenn Sie einen Stein werfen, übt Ihre Hand eine Vorwärtskraft auf den Stein aus. Das ist die „Aktion“. Als Reaktion darauf übt der Stein eine Kraft gleicher Stärke, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, auf Ihre Hand aus. Das ist die „Reaktion“.
Obwohl sich der Stein aufgrund der ausgeübten Kraft nach vorne bewegt, spürt Ihre Hand im Moment des Werfens die entgegengesetzte Kraft.
Dieses Beispiel kann auch mit dem Konzept des Impulses in Zusammenhang gebracht werden. Je größer die Kraft, die Sie auf den Stein ausüben, desto schneller bewegt er sich. Allerdings ist auch die Reaktionskraft auf Ihre Hand größer, was dazu führen kann, dass Sie beim Werfen schwerer oder schneller Gegenstände einen Zug oder Widerstand spüren.
9. Schieben Sie einen Tisch
Wenn Sie auf einen Tisch drücken, üben Sie eine Vorwärtskraft auf den Tisch aus. Das ist die „Aktion“. Der Tisch wiederum übt eine gleich große Kraft, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, auf Ihre Hände aus. Das ist die „Reaktion“.
Obwohl sich der Tisch aufgrund der von Ihnen ausgeübten Kraft nach vorne bewegt, kann die Reaktionskraft, die der Tisch auf Sie ausübt, dazu führen, dass Sie einen Widerstand spüren, insbesondere wenn der Tisch schwer ist.
Wenn Sie mehr Kraft aufwenden, lässt sich der Tisch leichter bewegen, da die Reibung zwischen Tisch und Boden leichter überwunden werden kann. Die Kraft, die Sie in Ihren Händen spüren, wird jedoch immer gleich der Kraft sein, die Sie anwenden, allerdings in die entgegengesetzte Richtung, was eine klare Manifestation des dritten Newtonschen Gesetzes ist.
10. Landung eines Flugzeugs
Wenn ein Flugzeug landet, üben seine Räder aufgrund des Gewichts des Flugzeugs eine nach unten gerichtete Kraft auf die Landebahn aus. Das ist die „Aktion“.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz übt die Landebahn eine gleich große Auftriebskraft auf die Räder des Flugzeugs aus. Dies ist die „Reaktion“, die das Flugzeug stützt und ihm ein sicheres Abbremsen ermöglicht.
Dieser Vorgang ist entscheidend für den kontrollierten Stopp des Flugzeugs. Gäbe es diese nach oben gerichtete Reaktionskraft nicht, könnte das Flugzeug nicht richtig bremsen und von der Landebahn abrutschen. Darüber hinaus erzeugen die Bremsen und die Reibung zwischen den Rädern und der Landebahn während der Landung zusätzliche Kräfte, die dazu führen, dass das Flugzeug vollständig zum Stillstand kommt.
11. Kettenreaktion in einem Kernreaktor
In einem Kernreaktor wird durch die Spaltung schwerer Kerne wie Uran-235 Energie erzeugt. Wenn dabei ein Neutron auf einen Urankern trifft, spaltet sich der Kern in zwei kleinere Fragmente, wobei Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden. Diese Neutronen können wiederum mit anderen Urankernen kollidieren und so eine Kettenreaktion auslösen .
Im Sinne des dritten Newtonschen Gesetzes kommt es zu einer „Aktion“, die aus der Fragmentierung des Kerns und der Freisetzung subatomarer Teilchen wie Neutronen und Photonen (Gammastrahlen) besteht, wenn das Neutron auf den Urankern trifft und ihn spaltet. Die „Reaktion“ ist die Kraft gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Richtung, die die Kernfragmente auf die freigesetzten Partikel ausüben.
Diese Fragmente stoßen sich gegenseitig ab und trennen sich mit hoher Geschwindigkeit, wodurch die nötige Wärme erzeugt wird, um Wasser in Dampf umzuwandeln und die Reaktorturbinen anzutreiben.
12. Kernantrieb in U-Booten und Raumfahrzeugen
Einige U-Boote und Raumschiffe nutzen Kernreaktoren zur Strom- und Antriebserzeugung.
In diesem Fall gilt das dritte Newtonsche Gesetz auch in Antriebssystemen, die auf Kernenergie basieren. Ein Kernreaktor auf einem U-Boot nutzt die durch die Spaltung freigesetzte Energie, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der dann durch Turbinen ausgestoßen wird, um mechanische Energie zu erzeugen, die das Schiff antreibt.
Das dritte Gesetz gilt, wenn der vom Kernreaktor erzeugte Dampf auf eine Seite ausgestoßen wird und auf der gegenüberliegenden Seite eine Reaktionskraft erzeugt, die das U-Boot oder Raumschiff bewegt.
Dieser Vorgang des Ausstoßens von Dampf oder Gasen folgt dem gleichen Prinzip wie der Strahlantrieb, allerdings wird anstelle der Verbrennung von chemischem Treibstoff die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie zur Schuberzeugung genutzt.