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Drittes Gesetz, Impulserhaltung und Kräftegleichgewicht

Kräfte treten immer paarweise auf: Wenn A auf B drückt, drückt B im selben Moment gleich stark und in die Gegenrichtung auf A (drittes Gesetz). Die beiden Kräfte wirken auf verschiedene Körper. Wirkt auf ein System keine äußere Gesamtkraft, bleibt sein gesamter Impuls gleich. Das erklärt Rückstoß, Raketen und Stöße. Ein Teilchen ist im Gleichgewicht, wenn alle Kräfte auf es zusammen null ergeben. Drei Kräfte im Gleichgewicht bilden ein geschlossenes Dreieck.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Zwei Eisläufer stoßen sich ab. Jeder spürt einen Stoß von 50 N, aber in entgegengesetzte Richtungen. Beide gleiten auseinander. Die Kräfte wirken auf verschiedene Körper.
  2. Ein Gewehr und eine Kugel ruhen, also ist der Gesamtimpuls null. Nach dem Schuss fliegt die Kugel nach vorn und das Gewehr stößt zurück. Der Gesamtimpuls ist immer noch null.
  3. Ein rollender Wagen stößt auf einen ruhenden Wagen und beide bleiben aneinander haften. Rechne m × v vorher und nachher zusammen. Die Summe bleibt 6 kg m/s.
  4. Drei Kräfte ziehen an einem Ring: 3 N, 4 N und 5 N. Lege sie Spitze an Schwanz aneinander. Sie bilden ein geschlossenes Dreieck, also ist die Gesamtkraft null.
  5. Ein Gewicht hängt an zwei Fäden. Zerlege jede Zugkraft in einen Teil nach oben und einen zur Seite. Die Teile nach oben tragen das Gewicht. Die seitlichen Teile heben sich auf.
  6. Du bist dran: Ändere die Massen und die Geschwindigkeit. Sage die Geschwindigkeit nach dem Zusammenkleben voraus und sieh dann zu.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wenn Kräfte gleich groß und entgegengesetzt sind, wie bewegt sich dann überhaupt etwas?

Jede Kraft wirkt auf einen anderen Körper. Eisläufer A spürt nur den Stoß von B, also bewegt sich A. B spürt nur den Stoß von A, also bewegt sich B.

Warum fliegt die Kugel so schnell, aber das Gewehr so langsam?

Beide bekommen gleich viel Impuls. Die Masse des Gewehrs ist 200-mal größer, also ist seine Geschwindigkeit 200-mal kleiner.

Bewegungsenergie geht verloren, wenn die Wagen kleben. Warum geht der Impuls nicht verloren?

Energie kann sich in Wärme und Schall verwandeln, aber der Impuls hat keine andere Form. Die gleich großen, entgegengesetzten Kräfte beim Zusammenstoß heben sich innerhalb des Systems auf.

Wie können drei verschieden große Kräfte die Gesamtkraft null ergeben?

Kräfte addieren sich als Vektoren. 3 N und 4 N im rechten Winkel ergeben eine Resultierende von 5 N; eine 5-N-Kraft in Gegenrichtung schließt das Dreieck.

Warum ist die Zugkraft in jedem Faden größer als das halbe Gewicht?

Nur der Teil jeder Zugkraft nach oben (T cos 45°) trägt das Gewicht. Die seitlichen Teile tragen nichts, deshalb muss T größer sein.

Bleibt der Impuls erhalten, wenn die Wagen nicht kleben?

Ja. Ob sie kleben oder abprallen, der Gesamtimpuls ist vorher und nachher gleich. Nur das Ergebnis für die Bewegungsenergie ist anders.

Das dritte newtonsche Gesetz

Drittes Gesetz: Zu jeder Kraft (Actio) gibt es immer eine gleich große, entgegengesetzte Gegenkraft (Reactio). Einfach gesagt: Wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, übt B eine gleich große Kraft in die Gegenrichtung auf A aus.

FAB = − FBA

Ein Buch auf einem Tisch: Die Erde zieht das Buch nach unten (Gewichtskraft) und das Buch zieht die Erde nach oben. Das ist ein Paar. Das Buch drückt auf den Tisch und der Tisch drückt das Buch nach oben (Normalkraft). Das ist ein anderes Paar. Gewichtskraft und Normalkraft auf das Buch sind hier gleich groß, aber sie sind kein Paar des dritten Gesetzes, weil beide auf denselben Körper wirken.

Beispiele: Gehen (der Fuß drückt den Boden nach hinten, der Boden schiebt dich nach vorn), Schwimmen, Rudern, eine Rakete, ein springender Ball.

Erhaltung des linearen Impulses

Gesetz: Wirkt auf ein System keine äußere Gesamtkraft, bleibt sein gesamter linearer Impuls konstant.

Beweis aus dem zweiten und dritten Gesetz

Zwei Kugeln A und B stoßen zusammen. Während der kurzen Berührungszeit Δt drückt A mit FBA auf B und B drückt mit FAB auf A. Nach dem zweiten Gesetz ist die Impulsänderung von A: ΔpA = FAB Δt. Die von B: ΔpB = FBA Δt. Nach dem dritten Gesetz gilt FAB = − FBA, also ΔpA + ΔpB = 0. Der Gesamtimpuls ändert sich nicht:

m1u1 + m2u2 = m1v1 + m2v2

Anwendungen

Gleichgewicht von Kräften an einem Punkt

Kräfte an einem Punkt (zentrale Kräfte) sind Kräfte, deren Wirkungslinien sich in einem Punkt schneiden. Ein Teilchen ist im Gleichgewicht, wenn die Gesamtkraft auf es null ist: Es bleibt in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.

F1 + F2 + … + Fn = 0, das heißt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣFz = 0.

So löst du solche Aufgaben

Zeichne ein Freikörperbild des Punktes, an dem sich die Kräfte treffen (ein Knoten, ein Ring). Zerlege jede Kraft in x- und y-Anteile. Setze die Summe in x-Richtung und in y-Richtung gleich null und löse auf.

Probiere es zu Hause aus

Ballonrakete: Fädle einen Trinkhalm auf eine lange Schnur, die quer durch den Raum gespannt ist. Klebe einen aufgeblasenen Luftballon an den Halm und lass die Öffnung los. Die Luft strömt nach hinten, der Ballon schießt nach vorn (drittes Gesetz und Impuls).

Federwaagen: Hänge zwei Federwaagen aneinander und ziehe. Beide zeigen immer denselben Wert an, egal wer stärker zieht.

Im 3D-Modell: Stelle im letzten Schritt m₁ = m₂ und u₁ = 4 m/s ein. Sage v voraus, bevor du zusiehst (Antwort: 2 m/s).

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein 4 kg schweres Gewehr feuert eine 20 g schwere Kugel mit 400 m/s ab. Berechne die Rückstoßgeschwindigkeit des Gewehrs.

Impuls vorher = 0. Nachher: 4 V + 0,02 × 400 = 0 → V = −8/4 = −2 m/s. Das Gewehr bewegt sich mit 2 m/s zurück.

2. Ein 2 kg schwerer Wagen mit 3 m/s stößt auf einen ruhenden 1 kg schweren Wagen und beide bleiben aneinander haften. Berechne ihre gemeinsame Geschwindigkeit.

2 × 3 + 1 × 0 = (2 + 1) v → v = 6/3 = 2 m/s.

3. Ein 50 kg schwerer Junge springt mit 2 m/s von einem 100 kg schweren Boot in Richtung Ufer. Das Boot lag in Ruhe. Berechne die Geschwindigkeit des Boots.

0 = 50 × 2 + 100 × V → V = −1 m/s. Das Boot bewegt sich mit 1 m/s vom Ufer weg.

4. Eine ruhende 3 kg schwere Granate explodiert in zwei Stücke von 1 kg und 2 kg. Das 1-kg-Stück fliegt mit 20 m/s. Berechne die Geschwindigkeit des anderen Stücks.

0 = 1 × 20 + 2 × v → v = −10 m/s: 10 m/s in die Gegenrichtung.

5. Zwei Kräfte von 6 N (nach Osten) und 8 N (nach Norden) wirken auf einen Ring. Welche dritte Kraft hält den Ring im Gleichgewicht?

Resultierende der beiden = √(6² + 8²) = 10 N, nach Nordosten unter tan⁻¹(8/6) ≈ 53° von Osten. Die dritte Kraft ist 10 N genau in die Gegenrichtung.

6. Eine 10 kg schwere Masse hängt an zwei Fäden, die jeweils 45° zur Senkrechten bilden. Berechne die Zugkraft in jedem Faden (g = 9,8 m/s²).

Senkrecht: 2T cos 45° = 98 → T = 98/(2 × 0,707) ≈ 69,3 N. Die waagerechten Anteile T sin 45° heben sich auf.

7. Eine 6 kg schwere Masse hängt an einem Faden. Eine waagerechte Kraft zieht sie, bis der Faden 30° zur Senkrechten bildet. Berechne die Kraft und die Zugkraft im Faden (g = 10 m/s²).

Senkrecht: T cos 30° = 60 → T = 60/0,866 ≈ 69,3 N. Waagerecht: F = T sin 30° = 69,3 × 0,5 ≈ 34,6 N (= 60 tan 30°).

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Actio und Reactio wirken auf:
2. Die Erhaltung des linearen Impulses gilt, wenn:
3. Ein Gewehr stößt im Vergleich zur Kugel langsam zurück, weil:
4. Drei Kräfte im Gleichgewicht, Spitze an Schwanz gezeichnet, bilden:
5. Beim Gehen ist die Kraft, die uns vorwärts bewegt:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was besagt das dritte newtonsche Gesetz? Nenne ein Beispiel.

Jede Kraft hat eine gleich große Gegenkraft auf dem anderen Körper. Wenn du aus einem Boot springst, drückst du das Boot nach hinten und das Boot schiebt dich nach vorn.

Wie leitet man die Impulserhaltung her?

Aus dem zweiten und dritten Gesetz: Bei einem Stoß sind die Kräfte auf die beiden Körper gleich groß und entgegengesetzt, also sind ihre Impulsänderungen gleich groß und entgegengesetzt und ergeben zusammen null.

Was ist die Bedingung für das Gleichgewicht von Kräften an einem Punkt?

Die Vektorsumme aller Kräfte muss null sein, also ist die Summe ihrer x-Anteile und die Summe ihrer y-Anteile jeweils null.

Wo das unterrichtet wird

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ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
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USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Linear Momentum
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