Newtonsche Gesetze und Kreisbewegungen

• Physik LEK 05.03 behandelt Newtonsche Gesetze und Kreisbewegungen.

Newtonsche Gesetze

• Das erste Newtonsche Gesetz, auch Trägheitsgesetz genannt, besagt, dass ein Körper in Ruhe oder in gleichförmiger gerader Bewegung bleibt, solange keine äußeren Kräfte auf ihn wirken.
  • Beispiel: Ein Ball auf einem Tisch bleibt liegen, bis er angestoßen wird.
  • Formel: F = 0, a = 0, v = konstant
• Das zweite Newtonsche Gesetz, das Gesetz der Beschleunigung, besagt, dass die Beschleunigung eines Körpers von der wirkenden Kraft und seiner Masse abhängt.
  • Eine größere Kraft verursacht eine größere Beschleunigung, während eine größere Masse die Beschleunigung verringert.
  • Formel: F = m * a (F = Kraft, m = Masse, a = Beschleunigung)
• Das dritte Newtonsche Gesetz, das Wechselwirkungsgesetz, besagt, dass jede Aktion eine gleich große, aber entgegengesetzte Reaktion hat.
  • Wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, übt Körper B eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf Körper A aus.
  • Formel: FA = -FB

Kreisbewegungen

• Bei einer gleichförmigen Kreisbewegung bleibt die Geschwindigkeit eines Körpers konstant, aber er erfährt eine Beschleunigung, da sich die Richtung seiner Bewegung ständig ändert; diese Beschleunigung wird als Zentripetalbeschleunigung bezeichnet.

Relevante Größen einer Kreisbewegung

• Umlaufdauer (T): Die Zeit, die für einen Umlauf benötigt wird, gemessen in Sekunden (s), berechnet als T = t/n.
  • Eine langsame Kreisbewegung hat eine große Umlaufdauer, eine schnelle eine kleine.
• Frequenz (f): Der Kehrwert der Umlaufdauer, gemessen in Hertz (Hz) oder 1/s, berechnet als f = 1/T oder f = n/t (Anzahl der Umläufe pro Sekunde).
• Bahngeschwindigkeit (v): Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt entlang der Kreisbahn bewegt, berechnet als v = Strecke/Zeit = s/t oder vBahn = 2π * r / T.
• Winkelgeschwindigkeit (ω): Die Änderungsrate des Winkels pro Zeiteinheit, berechnet als ω = 2π * f oder ω * r = v.
• Radius (r): Der Abstand vom Mittelpunkt des Kreises zu einem Punkt auf der Kreisbahn, gemessen in Metern (M).

Zentripetalkraft

• Die zum Halten eines Objekts auf einer Kreisbahn erforderliche Kraft, die immer zum Zentrum des Kreises hin wirkt.
  • Diese Kraft bewirkt, dass sich das Objekt nicht geradeaus bewegt, sondern der Kurve folgt.
  • Formeln: Fz = m * ω² * r oder Fz = m * v² / r (m = Masse, ω = Winkelgeschwindigkeit, r = Radius, v = Bahngeschwindigkeit)
  • Beispiele: Ein Auto in einer Kurve oder ein Planet auf seiner Umlaufbahn.
  • Ohne Zentripetalkraft würde sich ein Objekt in einer geraden Linie bewegen, anstatt auf einer Kreisbahn zu bleiben.

Zentrifugalkraft

• Eine scheinbare Kraft, die auftritt, wenn sich ein Objekt in einer Kreisbewegung befindet; sie resultiert aus der Trägheit des Objekts, sich in einer geraden Linie bewegen zu wollen.
  • Sie wird nur in einem rotierenden Bezugssystem wahrgenommen und scheint vom Zentrum der Kreisbahn weg nach außen zu wirken.
  • Formel: Fz = m * v² / r Beispiel: Eine Person in einem Karussell, die sich nach außen gedrückt fühlt.