Die erste Gleichung der Physik: Wie man Kraft mathematisch beschreibt

Grundprinzip der Dynamik

Die grundlegendste und weltweit anerkannte Gleichung ist das zweite Newtonsche Gesetz (1643-1727).

F=ma ist eine grundlegende Gleichung in der Physik, genauer gesagt in der klassischen Mechanik. Sie drückt eine Beziehung zwischen drei essenziellen physikalischen Größen aus:
• $ \vec{F} $ ist die auf einen Gegenstand ausgeübte Kraft, ausgedrückt in Newton (N),
• m ist die Masse des Gegenstands, ausgedrückt in Kilogramm (kg),
• a ist die Beschleunigung des Gegenstands, ausgedrückt in Metern pro Sekunde zum Quadrat (m/s²).

Diese Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen der auf einen Gegenstand ausgeübten Kraft, der Masse dieses Gegenstands und der daraus resultierenden Beschleunigung. Sie ist essenziell, weil sie die Verbindung zwischen klassischer Mechanik und der Bewegung von Körpern herstellt. Darüber hinaus dient sie als Grundlage für viele andere Gleichungen und Konzepte in der Physik.

Hinweis: Das erste Newtonsche Gesetz, auch Trägheitsprinzip genannt, ist ein grundlegendes Konzept in der Physik, das das Verhalten eines Objekts beschreibt, wenn keine Nettokraft auf es wirkt. Es gibt keine einzelne Gleichung für das erste Newtonsche Gesetz.

Was ist eine Kraft?

Der Kraftbegriff ist einer der Grundbegriffe der klassischen Physik, insbesondere im Kontext der Newtonschen Mechanik. Darunter versteht man jede Interaktion, die, wenn sie auf ein Objekt ausgeübt wird, den Bewegungszustand dieses Objekts verändert. Die Kraft kann dazu führen, dass das betreffende Objekt beschleunigt, seine Richtung ändert oder sich verformt.
Im Formalismus der klassischen Mechanik ist eine Kraft $ \vec{F} $ eine Vektorgröße, also eine Größe, die eine Richtung, einen Sinn und eine Intensität hat.

Was sagt uns F=ma?

Die Kraft ist proportional zur Beschleunigung: Je größer die ausgeübte Kraft, desto größer ist die Beschleunigung des Objekts.
Die Masse widersteht der Beschleunigung: Je größer die Masse eines Objekts ist, desto schwieriger wird es, es in Bewegung zu setzen oder seine Geschwindigkeit zu ändern (also beschleunigen zu lassen).

Mit anderen Worten sagt uns F=ma, dass wir eine Kraft auf das Objekt ausüben müssen, um die Bewegung eines Objekts zu ändern (es in Bewegung zu setzen, es anzuhalten, seine Richtung oder Geschwindigkeit zu ändern).

Grenzen von F=ma

Es ist wichtig zu beachten, dass es sich bei F=ma um eine Vereinfachung handelt. Sie gilt im Rahmen der klassischen Mechanik und für Geschwindigkeiten deutlich unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Für sehr hohe Geschwindigkeiten muss Einsteins spezielle Relativitätstheorie verwendet werden. Darüber hinaus berücksichtigt diese Gleichung bestimmte Kräfte wie Reibungskräfte nicht.